способ фотоэлектрохимической очистки сточных вод от красителей

Формула изобретения

Способ фотоэлектрохимической очистки сточных вод, содержащих красители, отличающийся тем, что очистку ведут в электролизере с анодом, выполненным из диоксида титана, при подаче тока 0,5 мА при одновременном УФ-облучении и барботировании в раствор электролита, содержащий очищаемые сточные воды, кислорода под давлением до 1,0 МПа.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам очистки сточных вод, в частности к очистке сточных вод от красителей фотоэлектрохимическим окислением.

Известен процесс обесцвечивания раствора азокрасителя прямого черного (ПЧ) под действием фотооблучения, электрохимических и фотоэлектрохимических воздействий. Показано, что при всех применяемых методах происходит интенсивное обесцвечивание раствора азокрасителя, являющееся следствием деструкции молекулы азокрасителя как по сопряженным связям, так и по ароматическим фрагментам. Установлено, что наибольшая глубина деструкции достигнута при фотоэлектрохимическом воздействии [1].

Недостатками способа являются то, что фотоэлектрохимическое воздействие осуществлялось при контролируемом потенциале 3,0 В, что приводит к усложнению аппаратурного оформления процесса, а также при таком комбинированном воздействии достигнуты невысокие степени обесцвечивания.

Известен также способ обесцвечивания сточных вод от красителей, основой которого являлось использование каталитической системы. В качестве катализатора применялась сетка из титана, диаметр проволоки составляет 0,23 мм, кроме того, в рабочий раствор дозировался порошок диоксида титана. Процесс проводился в лабораторном реакторе, который представлял собой электролизер, при этом анодом являлась сетка из титана, а катодом платиновая сетка, которая предварительно обрабатывалась серной кислотой. Стеклянная емкость облучалась УФ-излучением [2].

Недостатком указанного способа является то, что при времени действия 5 ч эффективность удаления окрашенности не превышала 90%.

Близкий способ очистки сточных вод с использованием фотоэлектрохимической обработки приведен в работе [3]. Исследовались влияние напряжения, аэрации, исходной концентрации и рН на скорости разложения азокрасителя кислотного оранжевого. Как показали результаты исследований с увеличением напряжения от 5 до 25 В обесцвечивание раствора возрастало от 31,2% до 69,7% в течение 5 часов; с увеличением рН от 2,68 до 8,33 обесцвечивание раствора уменьшалось с 94% до 76% в течение 5 часов.

Недостатком указанного способа является низкая эффективность процесса при совместном использовании электрохимического и фотокаталитического процесса, снижение окрашенности составляло только 78%, а также то, что аэрация не оказывает заметного влияния на разложение красителя.

Наиболее близким аналогом является способ очистки сточных вод, содержащих красители, описанный в работе [4]. Там проводится очистка сточных вод от красителей путем электролиза, при котором одновременно с электролизом сточные воды подвергают ультрафиолетовому облучению. Отличие заявленного изобретения от аналога заключается в том, что очистку ведут при барботировании кислорода в раствор электролита под давлением до 1,0 МПа.

Задача изобретения - интенсификация процесса обезвреживания красителей.

Технический результат - экономичность процесса вследствие более полного использования объема электролизера, который достигается за счет того, что обезвреживание красителей протекает в электролизере при УФ-облучении в присутствии кислорода, при этом окисление красителей происходит за счет фотокатализа на диоксиде титана, электрохимическом окислении, кислородом, растворенным в объеме электролита, продуктами восстановления кислорода на поверхности платиновой проволоки.

Окисление красителей проводят в бездиафрагменном электролизе. В качестве анодного материала используется диоксид титана (TiO ₂). Катодным материалом является платиновая проволока. Фотоэлектрохимическое обезвреживание красителей осуществляется при подаче кислорода в систему под давлением до 1,0 МПа. В данных условиях происходит фотокаталитическое и электрохимическое окисление на аноде, в объеме электролита - растворенным кислородом, а на катоде - продуктами восстановления кислорода. Технический эффект - увеличение степени очистки от красителей, снижение расхода электроэнергии.

Сущность предлагаемого способа фотоэлектрохимической очистки сточных вод, содержащих красители, заключается в том, что очистку ведут в элетролизере с анодом, выполненным из диоксида титана, при подаче тока 0,5 мА при одновременном УФ-облучении и барботировании в раствор электролита, содержащий очищаемые сточные воды, кислорода под давлением до 1,0 МПа.

Фотоэлектрохимическое обезвреживание проводится в ячейке из фторопласта. В нее вмонтировано кварцевое стекло, через которое происходит УФ-облучение раствора, а также два электрода - из диоксида титана и платины. На поверхности ячейки также имеются вентили для выпуска и подачи газа и раствора.

В ячейку наливают очищаемую сточную воду, содержащую красители, подают кислород из баллона под давлением, облучают раствор через кварцевое стекло и замыкают электроды по внешней цепи. В качестве анода служит диоксид титана, а катодом является платина. В автоматическом режиме в ячейку подают насыщенную кислородом воду.

Процесс проводили в щелочной и в нейтральной средах с исходной концентрацией красителя 20 мг/л. В нейтральной среде увеличение начальной концентрации раствора красителя уменьшает скорость его удаления, а в щелочной среде увеличивает.

За основной показатель, характеризующий удаление красителя из раствора и поддающийся наиболее точному и быстрому приборному контролю, была взята степень обесцвечивания раствора. Учитывалось также эффективность снижения ХПК.

Пример 1. В ячейку с электродами из диоксида титана и платины заливается раствор красителя прямого черного 2С с исходной концентрацией 20 мг/л с использованием в качестве фонового электролита 0,5 М раствор Na₂SO₄. Барботируется в раствор кислород под давлением и подается ток 0,5 мА. В качестве источника УФ-облучения используется кварцевая лампа. Обесцвечивание красителя прямого черного 2С (ПЧ) в растворе Na₂SO₄ с подачей кислорода под давлением 0,2 МПа проводят в течение 2 часов. Концентрация красителя уменьшается до 3 мг/л.

Пример 2. Электролиз проводится по примеру 1 с тем лишь отличием, что в качестве электролита используется 0,5 М раствор КОН. Раствор красителя ПЧ обесцвечивается в течение 30 мин.

Пример 3. Электролиз проводят по примеру 1 с тем лишь отличием, что процесс осуществляется с давление кислорода в системе 1,0 МПа. Раствор красителя ПЧ обесцвечивается в течение 40 мин.

При подаче кислорода под давлением 0,2 МПа в систему процесс обесцвечивания идет быстрее. Степень обесцвечивания раствора красителя в щелочной среде и в нейтральной средах равны 94,3% и 51,6% без подачи кислорода в систему, а при подаче кислорода - 98,9% и 84,9%. Повышение эффективности процесса в щелочной среде связано, по-видимому, с относительно высокой растворимостью кислорода в щелочной среде по сравнению с нейтральной.

На чертеже представлена зависимость оптической плотности раствора от времени. Процесс проводился в щелочной (0,5 М КОН (а)) и в нейтральной средах (0,5 М Na₂SO ₄ (б)), так как сточные воды, содержащие красители, в том числе ПЧ, имеют значение рН>7. На чертеже (а) представлена зависимость оптической плотности красителя ПЧ в растворе KOH от времени при I=0,5 мА. С подачей кислорода в систему скорость обесцвечивания красителя ускоряется. Раствор красителя ПЧ обесцвечивается в течение 30 мин. При обесцвечивании красителя прямого черного в растворе Na₂SO₄ с подачей кислорода, как показано на чертеже (б), в течение 2 ч концентрация его уменьшается до 3 мг/л.

Предлагаемый способ обладает рядом преимуществ:

- уменьшается расход электроэнергии за счет интенсификации процесса в результате подачи минимального напряжения на электроды;

- увеличивается степень очистки раствора от красителя за счет одновременного фотоэлектрохимического окисления и окисления продуктами восстановления кислорода;

- используются экологически чистые окислители - активные частицы восстановления кислорода.

Литература

1. Ананьева Е.А., Видович Г.Л., Кротова М.Д., Богдановский Г.А. Исследование фотохимической и электрохимической обработки водных растворов азокрасителей // Электрохимия. 1996. Т.32. №8. с.1013-1015.

2. Lix Z., Liu H.L., Yue P.T., Sun Y.P. Photoelectrocatalytic oxidation of rose Bengal in aqueous solution using a Ti/TiO mesh electrode // Environ. Sci. and Technol. - 2000 - V.34 - №20 - p.4401-4406.

3. Su Jing, Quan Xie, Chen Shuo, Zhao Ya-zhi, Chen Guo-hua. Electrically enhanced photodegradation of an azodye (Acid Orange II) using a Pt/TiO₂ film electrode irradiating with an UV lamp. // J. Environ. Sci. (China) - 2003. 15, №1. с.60-64.

4. SU 709568 (Ленинградский инженерно-строительный институт), 15.01.1980 г.