钛电极
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2023年3月20日发(作者：中医诊脉入门)电催化氧化处理苯酚废水
张闯;贾志奇;赵永祥
【期刊名称】《《化学与生物工程》》
【年(卷),期】2019(036)011
【总页数】5页(P47-51)
【关键词】苯酚废水;电催化氧化;处理
【作者】张闯;贾志奇;赵永祥
【作者单位】山西大学化学化工学院山西太原030006;精细化学品教育部工程研
究中心山西太原030006;山西大学固废利用襄垣研发基地山西太原030006
【正文语种】中文
【中图分类】X703.1
在我国水污染控制中，含酚废水被列为重点解决的有害废水之一。含酚废水主要来
源于医药、纺织、化工、能源等领域，具有高毒性、高COD值，生物降解性差。
因此，未经处理的含酚废水直接排放，会对环境和人体造成严重危害。含酚废水的
处理方法包括生物法、萃取法、液膜法、化学氧化法等。生物法对环境无害，但合
成染料在自然界很难被生物降解，该方法适用于处理浓度很低的含酚废水；萃取法、
液膜法的第三组分和膜污染会造成二次污染；化学氧化法工艺简单，但氧化剂不能
重复使用，且价格昂贵，操作费用较高。从综合处理的角度看，这些方法都难以达
到稳定、安全的处理目的。
电催化氧化法是一种新的取代传统工艺的废水处理方法。包括含酚废水在内的各种
废水的电化学氧化已有报道[1-3]，电催化反应可有效氧化有毒有机物[4-5]。由于
装置结构和操作简单，电催化过程可作为一种经济有效的技术用于处理酚类有机污
染物。在电催化过程中，有机污染物可以通过直接和间接机制去除，这取决于阳极
和工艺条件。在阳极表面上发生直接氧化，并且通过氧化还原反应发生间接氧化。
研究[6]表明，以涂覆RuO2并掺杂Pt(Ti/RuO2-Pt)的Ti电极和涂覆IrO2并掺杂
Pt(Ti/IrO2-Pt)的Ti电极作阳极时，苯酚易被氧化成马来酸，如果有足够的羟基等
自由基，马来酸可以被直接氧化成草酸，草酸易被氧化成二氧化碳[7-8]。
作者采用固定尺寸的铱钌镀层钛电极作阳极、不锈钢电极作阴极、锰炭复合材料作
粒子电极，利用三维电极对苯酚模拟废水进行电催化降解。为了提高电流密度，在
苯酚的电化学转化过程中，将NaCl作为电解质加入到介质中，考察电压、电解质
种类及加量、反应时间等因素对苯酚模拟废水处理效果的影响，为工业化应用提供
一定的研究基础。
1实验
1.1试剂与仪器
颗粒活性炭，山西新华化工厂；乙酸锰(分析纯)，山东西亚化学工业有限公司；苯
酚(分析纯)，天津科密欧化学试剂有限公司；盐酸(分析纯)，四川西陇化工有限公
司。
101型电热鼓风干燥箱，北京科伟永兴仪器有限公司；SX-2.5-10T型台式马弗炉，
上海科恒实业发展有限公司；AgilentTechnologies1200Series型高效液相色
谱仪，安捷伦科技有限公司；5B-1F(V8)型智能消解仪，连华科技有限公司；TU-
1900型紫外可见分光光度计，北京普析通用仪器有限公司；85-2型数显恒温磁
力搅拌器，常州越新仪器制造有限公司；SPB-3型全自动空气源，北京中惠普分
析技术研究所；HYD型直流稳压稳流电源，上海泸仪科技有限公司；铱钌镀层钛
电极、不锈钢电极，铂信电极材料有限公司。
1.2电化学装置
反应器净体积为180mL，阳极采用铱钌镀层钛电极，阴极采用不锈钢电极，阴阳
两电极均为24cm2(12cm×2cm)，厚度为1mm，两极板间距为3cm。采用电
压范围为0～50V、电流范围为0～5A的直流稳压稳流电源。电化学装置见图1。
图1电化学装置示意图Fig.1Schematicdiagramofelectrochemicaldevice
1.3粒子电极的制备
活性炭预处理：先用蒸馏水浸泡活性炭，再在5%盐酸中浸泡6h，以去除表面杂
质；用去离子水洗涤至中性，105℃下烘干后备用。
粒子电极的制备：用2.8mol·L-1乙酸锰溶液等体积浸渍一定量预处理后的活性炭，
室温保持24h，105℃干燥，置于马弗炉中焙烧3h，得锰炭复合材料，即粒子
电极。
1.4方法
称取10g粒子电极置于两电极间，加100mL10000mg·L-1苯酚模拟废水，同
时鼓入空气，流速为20mL·min-1，采用磁力搅拌器均化苯酚溶液。反应一段时
间后，经0.45μm滤膜过滤，采用高效液相色谱仪测定苯酚模拟废水的浓度，消
解仪与紫外可见分光光度计联用，参照HJ/T399-2007《水质化学需氧量的测定》
[9]测定COD浓度。考察电压、电解质种类及加量、反应时间等条件对苯酚模拟废
水处理效果的影响。
1.5色谱条件
C18烷基色谱柱，流动相为甲醇-磷酸缓冲液(50∶50，体积比)，检测波长为280
nm，流速为1mL·min-1，柱温为30℃。
2结果与讨论
2.1电压对苯酚模拟废水处理效果的影响
在两极板间距为3cm、NaCl加量为2.0g、反应时间为60min的条件下，采用
电化学装置处理100mL10000mg·L-1苯酚模拟废水，考察电压对苯酚模拟废
水处理效果的影响，结果见表1。
由表1可知，COD降解率和苯酚转化率均随电压的增加而增大。这是因为，电极
两端电压增加，电化学反应的推动力加大，加速了阳极表面苯酚有机物的氧化[10-
11]。在未加NaCl时，COD降解率为0，苯酚转化率只有0.84%。说明在电解过
程中存在Cl-时，Cl-在2.1872V电位以上的阳极放电产生Cl2，Cl2排出后，在
废水中形成HClO[12]。HClO是一种强氧化剂，可以氧化苯酚有机物。当电压超
过15V时，测得电解槽中的苯酚模拟废水温度较高。因此，电压选择15V为宜，
COD降解率为24.52%，苯酚转化率为50.16%。
表1电压对苯酚模拟废水处理效果的影响
Tab.1Effectofvoltageontreatmentefficiencyofphenolsimulated
wastewater电压/VCOD降解率/%苯酚转化率
/%714.329.20916.9614.031118.7817.121322.1235.581422.6941.611524.525
0.1615(未加NaCl)00.84
2.2不同电解质对苯酚模拟废水处理效果的影响
在两极板间距为3cm、电压为15V、电解质加量为2.0g、反应时间为60min
的条件下，采用电化学装置处理100mL10000mg·L-1苯酚模拟废水，考察3
种电解质Na2CO3、Na2SO4、NaCl对苯酚模拟废水处理效果的影响，结果见图
2。
图2不同电解质对苯酚模拟废水处理效果的影响Fig.2Effectofdifferent
electrolytesontreatmentefficiencyofphenolsimulatedwastewater
由图2可知，NaCl作电解质，对COD降解率和苯酚转化率影响最大，其次是
Na2SO4、Na2CO3。这是因为，NaCl作电解质时，Cl-放电能力强，在阳极发生
反应[6]：
H2O+Cl-HClO+H++2e-
(1)
产生强的HClO氧化剂可以促进苯酚降解。Na2SO4作电解质时，在阳极发生反
应[4]：
(2)
也具有氧化性，能够促进苯酚降解。不能形成更高价态的氧化物，不能起到间接氧
化苯酚的作用。NaCl作电解质时，反应60min，COD降解率和苯酚转化率增大
明显，分别为24.52%和50.16%。因此，电解质选择NaCl为宜。
2.3NaCl加量对苯酚模拟废水处理效果的影响
在两极板间距为3cm、电压为15V、反应时间为60min的条件下，采用电化学
装置处理100mL10000mg·L-1苯酚模拟废水，考察NaCl加量对苯酚模拟废水
处理效果的影响，结果见表2。
表2NaCl加量对苯酚模拟废水处理效果的影响
Tab.2EffectofNaCldosageontreatmentefficiencyofphenolsimulated
wastewaterNaCl加量gCOD降解率%苯酚转化率%反应后苯酚模拟废水pH值
0.00.000.846.00.55.197.887.01.010.9236.038.01.516.3940.919.02.024.5250.1
69.0
由表2可知，在同一电压下，随着NaCl加量增加，COD降解率及苯酚转化率均
不断增大，反应后苯酚模拟废水的pH值也不断增大。可能是因为，NaCl加量增
加，苯酚模拟废水中Cl-浓度增大，降低了溶液体系电阻，提高了电流效率[13]，
促进活性氯的产生，加快苯酚有机物氧化降解。同时，推测除了H2O在阳极生
成·OH外，也与碱性条件下在阳极生成·OH有关[14-16]，阳极发生如下反应：
OH-·OH+e-，加快苯酚有机物的降解。因此，NaCl加量选择2.0g为宜。
2.4反应时间对苯酚模拟废水处理效果的影响
在两极板间距为3cm、电压为15V、NaCl加量为2.0g的条件下，分别采用二
维电极(不添加粒子电极)和三维电极(添加10g粒子电极)电化学装置处理100mL
10000mg·L-1苯酚模拟废水，考察反应时间对苯酚模拟废水处理效果的影响。
表3反应时间对苯酚模拟废水处理效果的影响
Tab.3Effectofreactiontimeontreatmentefficiencyofphenolsimulated
wastewater反应时间min二维电极COD降解率%苯酚转化率%三维电极COD
降解率%苯酚转化
率%1010.792.0742.8711.762010.854.9951.9352.733013.3922.6667.1477.716
024.5250.1679.9686.729025.6261.7782.0892.0012036.4280.0683.9796.10
由表3可知，COD降解率和苯酚转化率均随反应时间的延长而增大，同一反应时
间下，三维电极对苯酚模拟废水的处理效果明显优于二维电极。当反应时间为
120min时，三维电极和二维电极中COD降解率最大，分别为83.97%、
36.42%，表明，粒子电极的加入明显促进了COD的降解。其原因是，除了Cl-在
阳极放电，反应产生强的HClO氧化剂促进苯酚降解外，粒子电极的加入形成了
许多微电极；同时负载的锰氧化物与苯酚有机物结合[17-18]，通过锰元素得失电
子，发生氧化作用，从而提高对模拟废水中苯酚有机物的氧化效率。因此，反应时
间选择120min为宜。
3结论
采用固定尺寸的铱钌镀层钛电极作阳极、不锈钢电极作阴极、锰炭复合材料作粒子
电极，利用三维电极对苯酚模拟废水进行电催化降解，考察了电压、电解质种类及
加量、反应时间等因素对苯酚模拟废水处理效果的影响。得到最佳反应条件为：电
压15V、氯化钠加量2.0g、反应时间120min。在最佳条件下，填充10g粒
子电极的三维电极处理100mL10000mg·L-1的苯酚模拟废水，苯酚转化率为
96.10%，COD降解率达83.97%。该研究为降解高浓度含酚废水提供一定的基础，
对于电极的钝化问题及工业化应用需进一步研究。
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