通过电化学氧化处理天然染料废水：阳极材料的比较分析及再利用优化

《Journal of Environmental Management》：Treatment of natural dye wastewaters by electrochemical oxidation: Comparative analysis of anode materials and optimization for reuse

电化学氧化（EO）技术处理天然染料印染废水的可行性及最佳工艺条件研究。实验采用BDD和Ti/MMO电极，对比发现BDD电极在50 A m?2电流密度下COD去除率最高（>90%），能耗5.4 kWh m?3，同时降低生态毒性（2.0 TU）和提升生物降解性（0.35）。处理后废水与新鲜水按50:50比例复用，染织品色差ΔE<1，色牢度达工业标准。研究证实EO技术能有效实现印染废水的循环利用，平衡处理效率与能耗成本。

　　这项研究围绕自然染料用于亚麻织物生态染色产生的实际废水的处理和再利用展开，重点评估了电化学氧化（EO）技术在处理此类废水中的可行性。研究的核心目标是探索如何通过先进的处理方法，使废水达到可再次用于染色的水质标准，从而减少对新鲜水资源的依赖，同时降低对环境的影响。由于自然染料在染色过程中往往需要使用多种辅助化学品，如氯化物、壳聚糖和碳酸盐，这些物质的存在可能影响废水的可生物降解性以及其生态毒性，因此需要采用高效且环保的处理技术。研究通过对比不同电极材料在处理过程中的表现，最终确定了最佳的处理条件，并验证了处理后的废水在实际染色中的应用效果。

亚麻织物生态染色过程中产生的废水具有明显的黄色外观，化学需氧量（COD）达到500 mg L?1，生物可降解性较低（0.24），并且对水蚤（Daphnia magna）具有中等程度的急性毒性（2.3毒性单位）。这些数据表明，该废水无法直接排放，必须经过处理以达到再利用的标准。研究中使用的自然染料是从石榴皮中提取的，因其富含单宁酸，常用于染色天然纤维，如棉和亚麻。然而，染色过程中使用的辅助化学品可能降低染料的可降解性，从而影响废水的处理效果。

为了评估不同电极材料在处理该废水中的性能，实验使用了硼掺杂金刚石（BDD）电极和几种基于钛的混合金属氧化物（Ti/MMO）电极。实验结果显示，BDD电极在去除有机负荷方面表现最佳，能够实现超过90%的COD去除率和显著的矿化效果。相比之下，其他Ti/MMO电极在去除有机物方面效果较差，但具有较低的能耗。研究还发现，BDD电极在处理过程中能够有效降低废水的毒性，并提升其可生物降解性。在最佳处理条件下，废水的COD降至400 mg L?1以下，生物可降解性指数提升至0.35，毒性降至2.0毒性单位，同时废水颜色变为无色，达到了可再利用的水质标准。

研究进一步探讨了不同电流密度和处理时间对处理效果的影响。实验表明，电流密度为50 A m?2且处理时间为4小时（对应总电荷0.72 kC）的条件，在去除COD、矿化和降低毒性方面达到了最佳平衡。虽然延长处理时间可以进一步提高COD去除率和矿化程度，但也会导致更高的能耗和毒性增加。因此，选择适当的处理时间至关重要，既要确保废水达到再利用标准，又要兼顾能耗和处理效率。

处理后的废水在实际染色中的应用也得到了验证。研究显示，将处理后的废水与新鲜水按50:50的比例混合后，再次用于染色能够生产出与使用新鲜水染色几乎无色差（ΔE < 1）的织物，并且保持良好的色牢度。这表明，处理后的废水可以安全有效地用于新的染色过程，符合工业标准。此外，废水的再利用不仅减少了对新鲜水的需求，还降低了废水排放的环境负担，从而有助于实现纺织行业的循环用水和资源高效利用。

研究还对处理后的废水进行了详细的水质分析，包括pH值、电导率、浊度、化学需氧量、生物需氧量、溶解有机碳、溶解无机碳、总溶解氮、氯离子浓度以及对水蚤的毒性等。这些参数的变化反映了电化学氧化处理对废水成分的深度影响。例如，BDD电极处理后的废水pH值较低，电导率和浊度也显著降低，而溶解有机碳和总溶解氮的含量则有所减少。这些结果表明，电化学氧化处理不仅能够有效去除有机污染物，还能改善废水的其他物理化学特性，使其更适合再利用。

在处理过程中，电化学氧化的能耗是重要的考量因素。研究发现，在50 A m?2电流密度下，处理4小时的能耗为5.4 kWh m?3，这在工业应用中具有较高的可行性。然而，当处理时间延长至24小时，能耗增加到32 kWh m?3，这可能会增加处理成本。因此，研究建议在工业实践中采用处理时间在4小时左右的条件，以在处理效果和能耗之间取得最佳平衡。

此外，研究还评估了电化学氧化处理对染色性能的影响。实验结果表明，处理后的废水在颜色深度、均匀性和色牢度方面均能满足工业标准，这为该技术在纺织行业中的推广提供了有力支持。特别是在使用BDD电极处理后的废水时，即使在较短的处理时间内，也能实现较高的染色质量，这说明电化学氧化处理技术具有较高的应用潜力。

从经济和环境角度来看，电化学氧化废水处理和再利用具有双重优势。一方面，它能够显著降低对新鲜水的需求，从而减少水资源的消耗；另一方面，它还能减少废水排放带来的环境负担，降低排放费用。在葡萄牙，工业废水排放费用根据污染物的种类和浓度有所不同，而使用电化学氧化处理技术能够有效降低这些费用。此外，处理后的废水可用于部分替代新鲜水，从而减少工业用水成本，提高水资源利用效率。

研究还提到，电化学氧化技术已经成功应用于工业规模，例如在ECUVal项目中，实验室研究开发出了一种0.6 m2的电化学氧化反应器，能够在100 A的电流密度下处理每小时4 m3的染色废水。这表明，电化学氧化处理技术不仅在实验室条件下有效，而且具备良好的可扩展性，适合应用于实际工业生产中。

综上所述，这项研究通过系统评估电化学氧化技术在处理自然染料染色废水中的效果，验证了该技术在实现纺织行业循环用水和资源高效利用方面的潜力。研究发现，使用BDD电极在50 A m?2电流密度下处理4小时，能够在去除有机负荷、矿化和降低毒性方面取得最佳平衡，同时保持较低的能耗和良好的染色性能。这不仅为自然染料染色废水的处理提供了可行的技术方案，也为纺织行业实现可持续发展提供了新的思路。未来的研究可以进一步探索该技术在更大规模的应用，以及如何优化处理过程以减少副产物的生成，从而提高整体的环境友好性和经济可行性。