电催化氧化处理脱硫废水COD的试验研究

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2022-0646

摘要/Abstract

摘要：

燃煤电厂脱硫废水成分复杂，COD来源主要为亚硫酸盐和连二硫酸盐等还原性无机物。此外，脱硫废水中的Cl^-浓度很高，在降解COD时会形成较大干扰。电催化氧化法在工业废水处理中的应用较多，但较少应用于脱硫废水。尝试采用钌铱、铂金、掺硼金刚石（BDD）这3种不同材料作为阳极极板，电催化氧化处理脱硫废水COD。首先筛选出最佳极板材料，再用单因素实验方法确定响应面分析实验条件，采用BBD（Box-Behnken Design）法设计实验并分析极板间距、电压、反应时间的交互影响作用，最后研究SO₄^2-和Cl^-对电催化氧化处理脱硫废水COD的影响。结果表明，BDD极板对于脱硫废水的电催化氧化性最强，最佳反应条件：极板间距为1.52 cm，电压为25 V，反应时间为40 min。此时COD去除率最高，为87.1%。适当质量浓度的SO₄^2-和Cl^-在溶液中可起到促进氧化的作用，但当SO₄^2-和Cl^-分别超过8 000 mg/L和5 000 mg/L时会抑制COD的去除效果。

关键词: 脱硫废水, 化学需氧量, 电催化氧化

Abstract:

Desulphurization wastewater from coal-fired power plants is complicated in composition. The main chemical oxygen demand（COD） are from reductive inorganic substances such as sulfites and dithionate. In addition，the content of chloride ions in desulfurization wastewater is very high，which can affect COD removal of desulfurization wastewater，so it is difficult to degrade the COD of desulfurization wastewater. Electrocatalytic oxidation is widely used in industrial wastewater treatment，but rarely used in desulfurization wastewater. In this study，three different materials including ruthenium-iridium，platinum and boron-doped diamond（BDD） were used as anode plates to treat COD from desulphurization wastewater by electrocatalytic oxidation. Firstly，the optimal plate material was selected，and then the response surface analysis experimental conditions were determined by single factor experiment method. BBD（Box-Behnken Design） method was used to design experiments and analyze the interaction between plate spacing，voltage and reaction time. Finally，the influence of sulfate radical and chloride ion on electrocatalytic oxidation treatment of COD in desulfurization wastewater was experimentally studied. The results showed that BDD electrode had the strongest electrocatalytic oxidation for desulfurization wastewater，and the best reaction conditions were as follows：plate spacing 1.52 cm，voltage 25 V，reaction time 40 min. Under these conditions，the COD removal rate was the highest，which was 87.1%. Appropriate concentration of sulfate and chloride ions can promote oxidation in the solution，but when the concentration of sulfate and chloride ions exceed 8 000 mg/L and 5 000 mg/L，respectively，the removal effect of COD was inhibited.

Key words: desulfurization wastewater, COD, electrocatalytic oxidation

中图分类号:

X703.1

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https://www.iwt.cn/CN/Y2023/V43/I5/122

图/表 15

图1 实验装置
1—直流稳压电源；2—阴极极板；3—阳极极板；4—电催化池；5—转子；6—磁力搅拌器。

Fig. 1 Diagram of experimental setup

表1 响应面分析实验水平设置

Table 1 Response surface analysis experimental level setting table

因素	水平
因素	-1	0	+1
A：极板间距/cm	0.9	1.5	2.1
B：电压/V	15	20	25
C：反应时间/min	20	30	40

表2 SO₄^2-影响实验模拟脱硫废水配制

Table 2 Configuration table of desulfurization wastewater simulated by SO₄^2- influence experiment

SO₄^2-/（mg·L^-1）	2 000	4 000	6 000	8 000	10 000
Na₂SO₄质量/g	1.479 2	2.958 4	4.437 6	5.916 8	7.396
Na₂SO₃质量/g	1.375	1.375	1.375	1.375	1.375
NaCl质量/g	12.0	12.0	12.0	12.0	12.0

表3 Cl^-影响实验模拟脱硫废水配制方法

Table 3 Configuration table of desulfurization wastewater simulated by Cl^- influence experiment

Cl^-/（mg·L^-1）	5 000	10 000	15 000	20 000	25 000
NaCl质量/g	4.121 3	8.242 6	12.363 9	16.485 2	20.606 5
Na₂SO₃质量/g	1.375	1.375	1.375	1.375	1.375
Na₂SO₄质量/g	3.0	3.0	3.0	3.0	3.0

图2 极板材料对COD去除效果的影响

Fig. 2 Influence of plate materials on COD removal effect

图3 极板间距对COD去除效果的影响

Fig. 3 Influence of plate spacing on COD removal effect

图4 电压对COD去除效果的影响

Fig. 4 Influence of voltage on COD removal effect

图5 反应时间对COD去除效果的影响

Fig. 5 Effect of reaction time on COD removal effect

表4 响应面分析实验结果

Table 4 Experimental results of response surface analysis

实验序号	A：极板间距/cm	B：电压/V	C：反应时间/min	COD去除率/%
1	1.5	20	30	82.16
2	2.1	20	40	82.19
3	0.9	15	30	80.63
4	1.5	20	30	82.16
5	2.1	15	30	78.89
6	2.1	25	30	84.60
7	1.5	25	40	87.50
8	1.5	20	30	82.16
9	0.9	20	40	83.20
10	2.1	20	20	78.40
11	1.5	20	30	82.16
12	1.5	15	40	81.80
13	1.5	15	20	76.76
14	0.9	20	20	77.50
15	1.5	25	20	81.10
16	0.9	25	30	83.70
17	1.5	20	30	82.16

表5 模型方差分析结果

Table 5 Results of model variance analysis

因素	平方和	自由度	均方根	F值	P值
模型	111.01	9	12.33	116.61	<0.000 1
A	0.112 8	1	0.112 8	1.07	0.336 1
B	44.27	1	44.27	418.60	<0.000 1
C	54.76	1	54.76	517.72	<0.000 1
AB	1.74	1	1.74	16.47	0.004 8
AC	0.912 0	1	0.912 0	8.62	0.021 8
BC	0.462 4	1	0.462 4	4.37	0.074 9
A²	2.94	1	2.94	27.84	0.001 2
B²	1.68	1	1.68	15.86	0.005 3
C²	4.22	1	4.22	39.91	0.000 4
残差	0.740 4	7	0.105 8
R²	0.993 4
调整后R²	0.984 9
预测R²	0.894 0
变异系数%	0.398 6
信噪比	39.840 5

图6 电压和反应时间的响应曲面和等高线

Fig. 6 Response surface plot and contour plot of voltage and reaction time

图7 极板间距和反应时间的响应曲面和等高线

Fig. 7 Response surface plot and contour plot of plate spacing and reaction time

图8 极板间距和电压的响应曲面和等高线

Fig. 8 Response surface plot and contour plot of plate spacing and voltage

图9 SO₄^2-质量浓度对COD去除效果的影响

Fig. 9 Effect of SO₄^2- mass concentration on COD removal

图10 Cl^-质量浓度对COD去除效果的影响

Fig. 10 Effect of Cl^- mass concentration on COD removal

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