周兵 薛建军 王玲 沈东
（南京航空航天大学材料科学与技术学院，江苏 南京 210016）
【摘要】以罗丹明B模拟印染废水为例，采用超声辅助电凝聚法来处理模拟废水，分析了电极板组合不同形式、电流密度、pH值、Na2SO4浓度、初始废水的浓度等影响因素。结果表明：在电极板组合A-C-A-C为Al-Fe- Fe- Fe、电流密度在15mA/cm2、初始pH为6.00、电解质Na2SO4浓度为0.01mol/l、初始印染废水浓度为10mg/l时，废水的脱色率达到90%以上。超声技术可以有效地防止电极板钝化。
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关键词 电凝聚；超声；钝化；脱色率
【Abstract】In this paper, the model wastewater has been treatment by ultrasonic assisted electrocoagulation, which the Rhb has been regarded as the model wastewater. The treatment wastewater has been greatly influence by different sets of plates，the current density, pH value, as well as the initial concentration of wastewater. The result implied that decolourization ratio of 90% was obtained with the combination of the electrode plates A-C-A-C for the Al-Fe-Fe-Fe, current density in 15 mA/cm2, pH value of 6.00 and electrolyte Na2SO4 concentration for 0.01mol/l, the initial concentration of printing and dyeing wastewater with 10mg/l. In additional, the treatment on the ultrasonic treatment can effectivity advoid the passivation of the electron pole.
【Key words】Electrocoagulation；Ultrasound；Passivation；Decolourization ratio
0 引言
印染废水是一直被认为是比较难处理的废水之一[1]，它具有高COD、色度、含盐量，且水质复杂，其中的有机物难生化降解等特点。传统的印染废水处理方法有生化法、物理法、化学法、物理化学法[2-7]等，这些方法各有其优点，同时也各有其局限性，如处理费用高、工艺复杂、产生的污泥量大、易造成二次污染等。相对于传统的处理方法电化学方法是一种新的处理技术。电凝聚技术具有结构紧凑、占地面积小、投资少、系统构造简单、易于实现自动化、污泥量少、不易产生二次污染等优点，电凝聚法已成为处理印染废水方向的研究重点[8-10]。本研究采用超声辅助电凝聚技术，对罗丹明B模拟染料废水进行电凝聚处理，考察不同的电极组合、电流密度、初始染料的pH、电解质浓度等影响因素进行探索研究。
1 实验装置以及以及实验方法
1.1 实验仪器与药品
试剂：无水硫酸钠（AR）、氢氧化钠（AR）、无水乙醇（AR）、硫酸（AR）、罗丹明B(AR)
仪器：直流稳压电源、超声波清洗器、紫外可见分光光度计、pH计
1.2 实验装置图
由于在电凝聚过程中电极板容易发生钝化，设计如图所示的实验装置。其特点在于可以减少电极板的钝化。
1.3 脱色率的计算
采用紫外—可见分光光度计对罗丹明B模拟染料废水处理前后的吸光度进行测量，并按公式计算脱色率：
脱色率＝(A0-At)/A0×100%
A0为未处理的模拟染料废水最大可见吸收波长下的吸光度；At为处理后的模拟染料废水最大可见吸收波长下的吸光度。
2 结果与分析
2.1 不同电极组合对染料脱色的影响
图2 不同的电极组合下的染料脱色率
图3 电流密度对脱色率的影响
在电流密度为15mA/cm2，电解质Na2SO4浓度为0.01mol/l，pH为8.00，染料浓度的10mg/l条件下，对于电极组合考虑了8种不同的电极组成，用不同的电极组合来处理模拟废水，发现电极组合A-C-A-C为Al-Fe- Fe- Fe时处理效果比较好。
2.2 不同的电流密度对染料脱色的影响
在电极组合为Al-Fe-Fe-Fe，电解质Na2SO4浓度为0.01mol/l，pH为8.00，染料浓度的10mg/l条件下。由图二可以看出电流密度从5mA/cm2到15mA/cm2随着电流密度的增加罗丹明B的脱色效果在增加。当电流密度在15mA/cm2时处理30min脱色率达到88.7%。主要原因是电流密度的增大，阳极Fe/Al溶出的速度不停地增大，此时电化学反应速率是控制步奏。当电流密度达到15mA/cm2时继续增大电流密度脱色效果反而下降。当阳极溶出离子浓度达到一定程度染料与金属离子的水解产物的凝聚反应过程则成为整个过程的控制步骤, 此时电流密度的增加不再能够提高染料的脱色率。当电流密度超过15mA/cm2之后可能导致阳极钝化程度增加，造成电极表面钝化，失去活性，降低电凝聚效率。综合以上因素，电流密度在15mA/cm2为佳。
2.3 不同的初始pH值对染料脱色的影响
图4 不同pH值对脱色率的影响
在电极组合为Al-Fe-Fe-Fe，电解质Na2SO4浓度为0.01mol/l，电流密度为15mA/cm2，染料浓度的10mg/l条件下。可以看出，随pH值的增加，色度的去除率先增大后减小，其原因在于以下两个方面：pH＜4时溶液中正电荷聚合离子过多，会使胶体的电荷改变符号，出现胶体再稳现象。pH过低，溶液中的H+会在阴极上还原析出氢气而使OH-产生的量减小，金属氢氧化物的量减少。其次当pH﹥10时溶液中的铁离子、铝离子主要以Fe(OH)4-和Al(OH)4-形式存在，对负电荷胶体起不到中和作用，所以去除效果很差。当pH在6左右时，色度去除率较高,可达90%以上。所以选择pH为6.00。
2.4 不同的电解质浓度对染料脱色的影响
图5 不同浓度的Na2SO4对脱色率的影响
在电极组合为Al-Fe-Fe-Fe，电流密为15mA/cm2，pH为8.00，染料浓度的10mg/l条件下。电解质Na2SO4浓度的增加废水的脱色率先增加后减少。刚开始随着Na2SO4的浓度的增加电流效率增大导致废水的脱色率增大，在Na2SO4为0.01mol/l脱色率达到90.2%。当继续增大电解质浓度时脱色率反而下降0.02mol/l时脱色率为85.8%。电解质浓度过高会使胶体的电荷改变符号，出现胶体再稳现象。从而脱色率降低。
2.5 不同的进水染料浓度对染料脱色的影响
在电极组合为Al-Fe-Fe-Fe，电解质Na2SO4浓度为0.01mol/l，电流密度为15mA/cm2，pH为8.00时。由图六可知，随着罗丹明B的初始浓度的增加，染料的脱色率呈下降趋势。染料的初始浓度的10mg/l时，处理30min之后，色度的去除率达到90%。当初始浓度为20mg/l时，色度去除率只有77.8%。出现上述现象的原因可以解释如下：在电流强度不变的条件下，罗丹明B的浓度越高与铁离子、铝离子的水合物发生凝聚的机会越多，形成的絮体吸附磷的可能性越大，这有利于提高铝离子、铁离子的利用率而使除染料的量增加。色度去除率随原水浓度增加而降低是由于单位铝阳离子、铁阳离子所负担染料的量增加的缘故。
2.6 电极板的SEM分析
从扫描电镜结果可以看出，经过一段时间反应后，阳极的表面形貌发生了很大的变化。阳极从表面开始腐蚀，腐蚀速率主要取决于通电量。同时对反应后阳极铁板和阳极铝板的EDS能谱进行分析从扫描能谱分析结果可以看出，超声-电凝聚技术反应后，铁阳极表面的主要元素为铁、氧、碳。铝阳极表面主要元素为铝、氧。说明在阳极表面并没有生成或者吸附其他物质，电极表面活性仍然很高。这正好证明了超声波的对电极表面的清洗作用，防止了电极表面的钝化。
2.7 模拟废水的紫外分析
对处理前后的模拟废水的紫外光谱图进行分析，罗丹明B分子在260nm、355nm、554nm处的特征吸收峰随着反应时间逐渐减弱直至消失。这表明电凝聚过程可以有效地破坏了罗丹明B分子的芳香共轭体系以及发色基团。
3 结论
（1）对不同的电极组合进行探索发现电极组合为Al-Fe-Fe-Fe时对染料有比较高的去除率。
（2）最佳的的实验条件为电流密度为15mA/cm2、电解质Na2SO4浓度的为0.01mol/l、pH为8.00、染料浓度10mg/l，脱色率可以达到90%以上。
（3）超声技术可以有效地防止电极板钝化。
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［责任编辑：薛俊歌］
