电动絮凝降解苯酚的方法

专利名称：电动絮凝降解苯酚的方法
技术领域：
本发明涉及一种电动絮凝降解苯酚的方法。
背景技术：
目前，全世界己有50%以上地下水因受到不同程度的污染而不能饮用。我国是一个水资 源严重短缺的国家，人均水资源占有量不足2200m3，仅及世界人均水量的1/4。随着我国经 济的快速发展，所产生的大量污水大多未经处理直接排入江河湖库，导致水质严重恶化，使 得本来就水资源不足的形势"雪上加霜"。在我国，除填埋场和有毒物质事故性泄漏外，城市 和工业污水排放、农药和化肥的过量施用也是地下水污染的重要原因。20世纪80年代我国 对部分城市地下水污染调査表明，地下水污染严重的城市占63%，三氮、酚类、农药及油类 是我国地下水主要污染物。目前地下水修复技术主要有抽提-处理法、微生物原位修复法、渗 透性反应墙技术和化学固定-生物修复技术等。同时电动技术作为一种新兴的技术已被用于地 下水修复研究中，电动修复技术是一种绿色的修复技术，不会产生二次污染，且修复时间短， 处理成本小，不易受自然环境的影响。
酚类是我国地下水主要污染物之一，它属于高毒物质。人体摄入一定量时，可出现急性 中毒症状。长期饮用被酚污染的水，可引起头昏、出疹、瘙痒、贫血及各种神经系统症状。 水中含低浓度(0.1-0.2 mg/L)酚类时，可使生长鱼的鱼肉有异味，高浓度(>5 mg/L)时则 造成中毒死亡。含酚浓度高的废水不宜用于农田灌溉，否则，会使农作物枯死或减产。水中 含微量酚类，在加氯消毒时，可产生特异的氯酚臭。所以降解水体中的酚类就显得尤为重要。 目前，电动降解苯酚的效率较低，约50%。

发明内容
本发明提供一种电动絮凝降解苯酚的方法，可以有效提高苯酚的去除效率。 所述电动絮凝降解苯酚的方法，阳极为铝。
作为优选方案，电解液为K2S04溶液，电极间距为lcm-1.5cm，阴极为铜。电解液K2S04 溶液的浓度为0.05-0.5 M 。更进一步的优选方案是所述电极大小为12cmXl cm 3cmX4 cm，电解电压2-4V。
本发明以铝做阳极进行电动絮凝降解苯酚，阳极铝在电解过程中溶解释出铝离子，而在 阴极水被还原析出氢，同时生成OH—，铝离子在电解液中发生水解与聚合反应，生成聚合铝。 生成的聚合铝作为絮凝剂，同时结合电动降解苯酚，能够有效地提高污染水体中苯酚的去除 效率，同时可以在保证去除率接近的前提下，减少几乎50%的能量消耗。本发明实现了聚合 铝絮凝剂的在线合成、现场投加使用，简化了生产设备，具有良好的应用前景。


图1是实验装置图2是电解电流-电解电压曲线图，其中曲线a:阴极为铜，曲线b:阴极为铝； 图3是电解前后Ferron-Al逐时络合反应比色分析铝形态的曲线图，阴极为铝； 图4是电解前后Ferron-AI逐时络合反应比色分析铝形态的曲线图，阴极为铜； 图5是电解前后Ferron-Ai逐时络合反应比色分析铝形态的曲线图，电极间距0.5 cm; 图6是电解前后Ferron-AI逐时络合反应比色分析铝形态的曲线图，电极间距1.0 cm; 图7是不同电解时间Femm-Al逐时络合反应比色分析铝形态的曲线图； 图8是本发明与单独采用电动力学技术去除苯酚的效果对比图9是本发明与单独采用电动力学技术去除苯酚和单独采用聚合铝絮凝剂去除苯酚的效 果对比图。
具体实施例方式
1. 实验装置
采用图1所示的装置进行电解实验，测量电流和电压。整个实验过程在搅拌条件下进行， 电路电流是将用万用表的电流档串连在电路里，用电流档进行测定。实验中电极采用石墨电 极(4)8X100mm)以及铜片和铝片，电压控制范围0-10V。
2. 测试方法
(1) 苯酚的浓度采用目前各国普遍采用的酚类测定方法4-氨基安替比林光度法酚类 化合物于pH10.0土0,2介质中，在铁氰化钾存在下，与4-氨基安替比林反应，生成橙红色的 吲哚酚安替比林染料，其水溶液在510 nm波长处有最大吸收。我们绘制了苯酚浓度C和吸 光度A的标准工作曲线，通过它来得到苯酚的浓度，计算苯酚的去除效率。
(2) 溶液中铝形态的测定；用铝溶液和Ferron的络合比色动力学实验检验聚合铝溶液 形态和各种形态聚合铝的浓度。Ferron试剂的磺酸基与聚合氯化铝中的羟基竞争络合铝离子， 发生解离-络合反应。根据Femm-Al逐时络合反应的进展情况，可将聚合氯化铝中的铝形态 相对划分为Ala、 Alb、 Alc三种。Ala是瞬时反应的单体形态，与Ferron试剂在0-1.5 min之内 即可反应完全；Alb是缓慢反应的低聚和中等聚合物形态；AU为长时间内难以络合的高聚物 和凝胶态Al(OH)3。 一般认为Alb部分是凝聚絮凝能力最强的。
3. 阴极材料的选择
比较了分别用铝片和铜片做阴极材料进行电解合成聚合铝的效果，其中电解液为0.05 M 三氯化铝溶液，电极距离0,5cm，电解电压2.5V,电解面积4Xlcm,阳极为12Xlcm铝板， 阴极为12Xlcm铜片或铝片。实验中发现，用铝片作阴极时，电解过程中原打磨光亮的阴极不久就变成暗灰色，电流 也随之大幅降低，可能是生成的暗灰色物质导电性差，导致电流下降，阴极反应析氢也变得 极弱(有少量微小气泡逸出)。而用铜片作阴极电解6h后，铜片无明显变化，依然光亮如初。 试验过程中电流的变化如图2。从图可知，阴极材料由铝板换为相同长和宽的铜片后，在相 同电解面积、电极距离、电解液浓度及电解电压下，用铜片做阴极的电解电流远大于铝板阴 极的电解电流。在电解电压为2.5 V时，铜片做阴极的电解电流可达65.5 mA (电流密度为 16.4mA/cm2)，而铝板做阴极时的电解电流只有11.5 mA (电流密度为2.9 mA/cm2)。在获得 相同的电流密度时，铜片作阴极所需的电压远小于铝片作阴极时的电压，并且以铜片作为阴 极进行电解其电流随时间的变化也较小。
分别以铝片和铜片作阴极进行电解合成聚合铝的Ferron-Al逐时络合反应比色分析结果 见图3、 4。由图3可以看出，以铝片作阴极，电解结束后的电解液与电解前电解液(三氯化 铝溶液)Ferron比色吸光度变化相似，很快(约2min)上升至最大值，之后电解液的吸光值 仍有小幅上升，但也在8min内稳定，说明该反应中Alb形态的含量很少；达到平衡时电解后 的吸光度比电解前大，是因为电解过程中铝阳极溶解释放出铝离子，导致总铝(主要为单体 铝)浓度升高所致。图4则表明，以铜片作阴极时，电解前电解液的Ferron比色分析显色2min 后吸光度迅速上升到某一值，之后增加缓慢，电解后电解液的Ferron比色吸光度2 min后的 上升部分明显比电解前的高，说明电解合成过程中已明显有Alb生成。
以上电解合成聚合铝的实验表明，以铜片作阴极进行电解合成聚合铝具有所需电压小、 电流稳定的特点，为了提高电解合成聚合铝的效率，应尽量提高电流密度，加快电极反应的 进行。增大电压可以提高电流密度，但也易产生极化现象。因此，电解合成聚合铝通常在低 电压和高电流密度条件下进行；同时采用铜片作阴极有利于聚合铝的生成，所以铜片作为阴 极材料有利于聚合铝的电解合成。
4.电极间距
在电极间距为0.5cm和1.0cm时分别进行电解实验，其中，电解液为0.05 M三氯化铝 溶液，电解电压1V,电解电极面积4Xlcm，阳极为12Xlcm铝板，阴极为12Xlcm铜片。
电极间距可影响极化的大小，从而影响电流。另外，电解产生的OH—及溶出的铝离子浓 度自电极表面向外逐渐减小，调节电极距离，即可相当于调节参加水解、聚合反应的铝离子 和OH'浓度。因此，不同的电极距离对聚合铝的电解合成可能会造成较大的影响。不同电极 间距电解合成聚合铝的结果如图5'。由图可知，极板间距为0.5 cm时Alb的生成量与间距为 1.0cm时相当，但极间距为0.5cm时，随着电解的持续进行而慢慢出现沉淀。这可能是因为 刚开始时，电解液中铝以AP+为主，可接收容纳较多的OH';随着电解的进行，A严向聚合态 转化，而在电极间距较小(0.5 cm)情况下，由于电极间溶液中Ap+浓度特别高(阳极溶出+ 本底溶液中AP+)，与OHl乍用合成聚合态多而浓度高；当高达一定浓度后，形成的聚合态铝 还未来得及扩散便与OPT继续反应，便形成了Al(OH)3,出现沉淀。虽然极间距为1.0 cm时 进行电解合成也会产生沉淀，但其量要少得多。曲久辉等比较研究了电极距离为1.5cm和5.5 cm时聚合铝的电解合成，结果表明，电极间距较小，即1.5cm更有利于聚合铝的电解合成。刘会娟等在极间距分别为10cm和15cm时电解合成聚合铝，结果也表明，电极间距小的有 利于聚合铝的合成，而在本试验中，电极间距较小的0.5cm会产生较多量的沉淀，不利于聚 合铝的高效合成。优选电极间距l.Ocm。
5. 电解时间
随着电解合成的持续进行，阳极铝不断溶出，而阴极OH—浓度不断增加，铝离子发生水 解聚合反应，当Off浓度过高时，有可能生成Ale (高聚铝及溶胶态铝)而导致Alb (低聚铝 和中聚铝)含量降低。通过控制电解时间，可使电解液中的铝离子和OH'浓度适于铝离子的 水解及聚合，而不利于Ale的形成，可提高电解合成聚合铝的含量。试验中不同电解时间合 成的聚合铝如图7，其中电解液为0.05M三氯化铝溶液，电解电压1 V，电解电极面积4X1 cm， 阳极为12Xlcm铝板，阴极为12Xlcm铜片，电极距离1.0cm。可以看出，在实验范围内， 随着电解时间延长，电解液Ferron-Al逐时络合反应比色分析吸光度缓慢上升部分增加，表明 合成的聚合铝浓度有升高的趋势。
6. 电动絮凝降解苯酚
实施例1
电动絮凝降解苯酚，其中电解电压为1 V，阳极为12Xlcm铝板，阴极为12Xlem铜片， 电极间距为1.5cm，电解电极面积4Xlcm，电解液中含0.2 g/L苯酚，0.1MK2SO4。
实施例2
电动絮凝降解苯酚，其中电解电压为4V，阳极为12Xlcm铝板，阴极为12Xlcm铜片， 电极间距为lcm，电解电极面积4Xlcm,电解液中含0.2 g/L苯酚，0.1MK2SO4。
对照实施例1
电动降解苯酚，其中电解电压为2V，采用石墨电极，巾8X100 mm，间距3 cm，电解 电极面积4Xlcm，电解液中含0.2 g/L苯酚，0.1MK2SO4。
对照实施例2
电动降解苯酚，其中电解电压为4V，采用石墨电极，4>8X100 mm,间距3 cm，电解 电极面积4Xlcm，电解液中含0.2g/L苯酚，0.1MK2SO4。
对照实施例3
将采用碱中和法合成[无机化学学报，2004， 21: 69.]的聚合铝作为絮凝剂，聚合铝用量为 0.1g/L (以水溶液为基准)，水溶液中含0，2g/L苯酚，0.1MK2SO4。
(1)实验中我们比较了本发明和单独采用电动力学技术去除苯酚的效果，电解液中含 0.2g/L苯酚，0.1MK2SO4。结果如图8所示，单独采用电动力学技术时(对照实施例1，电 解电压为2V)，电解10h后苯酚的去除率为15.8X;而采用本发明去除苯酚时(实施例1， 电解电压为1V)，电解10h后苯酚的去除率为13.9%。由此可见，采用本发明可以在保证去 除率接近的前提下，减少几乎50%的能量消耗；同时本发明实现了聚合铝絮凝剂的在线合成、现场投加使用，简化了生产设备，具有良好的应用前景。
(2)如图9所示，实验发现单独采用聚合铝絮凝剂去除苯酚(对照实施例3)， 10h后， 苯酚的去除率仅为1.4%;而单独采用电动力学技术(对照实施例2)，电解10h时，苯酚的 去除率也仅为44.6%;采用本发明，结合了电动力学和絮凝技术后，电解10h时，苯酚的去 除率达到了76.9%。由此可见，本发明能够有效地提高污染水体中苯酚的去除效率。
权利要求
1.一种电动絮凝降解苯酚的方法，其特征在于阳极为铝。
2. 如权利要求1所述的电动絮凝降解苯酚的方法，其特征在于电解液为K2S04溶液，电极 间距为1 cm-1.5 cm，阴极为铜。
3. 如权利要求2所述的电动絮凝降解苯酚的方法，其特征在于电解液K2S04溶液的浓度为 0.05-0.5 M。
4. 如权利要求3所述的电动絮凝降解苯酚的方法，其特征在于电解液K2S04溶液的浓度为 0.1 M。
5. 如权利要求l-4中任一项所述的电动絮凝降解苯酚的方法，其特征在于电极大小为12cm XI cm 3cmX4cm，电解电压2-4V。
6. 如权利要求1-4中任一项所述的电动絮凝降解苯酚的方法，其特征在于所述苯酚存在于水 溶液中。
全文摘要
本发明涉及一种电动絮凝降解苯酚的方法，可以有效提高苯酚的去除效率。所述电动絮凝降解苯酚的方法，阳极为铝。作为优选方案，电解液为K₂SO₄溶液，电极间距为1cm-1.5cm，阴极为铜。电解液K₂SO₄溶液的浓度为0.1M。更进一步的优选方案是所述阳极为12×1cm铝板，阴极为12×1cm铜片，电解电压2-4V。本发明以铝做阳极进行电动絮凝降解苯酚，阳极铝在电解过程中溶解释出铝离子，而在阴极水被还原析出氢，同时生成OH^-，铝离子在电解液中发生水解与聚合反应，生成聚合铝。生成的聚合铝作为絮凝剂，同时结合电动降解苯酚，能够有效地提高污染水体中苯酚的去除效率，同时可以在保证去除率接近的前提下，减少几乎50％的能量消耗。
文档编号A62D3/00GK101648057SQ200910033668
公开日2010年2月17日 申请日期2009年6月25日 优先权日2009年6月25日
发明者宋平三, 泉 徐, 毕树平, 沈东旭, 章福平 申请人:南京大学