1、概述
氨氮是水體中的營養(yǎng)素，可導(dǎo)致水富營養(yǎng)化現(xiàn)象產(chǎn)生，是水體中的主要耗氧污染物，對水中生物及人類都有較大危害性。目前，國內(nèi)外氨氮廢水的處理方法主要有氣浮法、折點加氯法、電化學氧化法、離子交換法、物理吸附法和生物脫氨法等。其中，電化學氧化法由于具有占地面積少、操作簡單、綠色清潔等優(yōu)點而引起廣泛關(guān)注。
2、實驗部分
2.1、原理介紹。電化學氧化過程按照作用機理的不同，可分為直接電化學氧化和間接電化學氧化。最終產(chǎn)物主要為氮氣，含少量NO-，NO-
2.1.1、直接電化學氧化法
2.1.1.1、氨氮直接在陽極表面失去電子被氧化去除。此過程中，氨氮先吸附在陽極表面，后直接與陽極之間發(fā)生三電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)。如公式（1）所示。
氨氮發(fā)生直接電化學氧化必須滿足兩個必要條件：一是需要堿性介質(zhì)條件，以保證部分氨氮以游離態(tài)NH3存在；二是合適的陽極電位。
2.1.1.2、氨氮被吸附態(tài)羥基自由基氧化去除。當使用電催化性能較強的金屬氧化物陽極時，吸附在電極表面的水分子與陽極氧化物空穴反應(yīng)生成吸附的羥基自由基（•OH），如公式（2）所示。氨氮被吸附的羥基自由基有效地氧化成氮氣和水，如公式（3）所示。
2.1.2、氨氮間接電化學氧化。該過程是通過陽極反應(yīng)先生成強氧化劑，然后強氧化劑與氨氮反應(yīng)，使氨氮降解脫除。氨氮的間接電化學氧化，根據(jù)氯離子（Cl-）的存在狀況可分成有氯離子存在和無氯離子存在兩種形式。
2.1.2.1、廢水中存在氯離子時，氨氮的電化學氧化反應(yīng)接近于“折點加氯除氮”的反應(yīng)過程。水中的氯離子先發(fā)生陽極反應(yīng)生成活性氯（Cl2、HOCl、ClO-等），其氧化電位見表1，然后氧化性很強的活性氯再與氨氮反應(yīng)，從而達到去除氮的目的，如圖1所示。
將氯氣或者次氯酸鈉通入污水中將其中的氨氮氧化成氮氣的方法叫做折點氯化法。法氯氣在水中不僅會溶解還會發(fā)生反應(yīng)，當氯氣通入污水中達到一定劑量時水中游離氯的含量有一最低值，此時能夠?qū)钡耆到狻．斅葰饧尤肓砍^該點時，水中游離氯含量增大而對去除效果沒有改變，這個能達到最好去除效果而又不造成氯氣浪費的最佳劑量點就是折點。
依據(jù)“折點氯化”反應(yīng)機理，活性氯與氨氮的具體反應(yīng)如下列公式。
此外，活性氯與氨氮的反應(yīng)過程中也會有一些副反應(yīng)的發(fā)生，如析氧反應(yīng)、析氫反應(yīng)以及消耗活性氯的反應(yīng)等，如下列公式。
2.1.2.2 氨氮廢水不含氯離子時，氨氮主要是被電化學反應(yīng)過程中產(chǎn)生的羥基自由基氧化而去除。羥基自由基可以由水或OH（-堿性條件下）在陽極氧化產(chǎn)生，其電極反應(yīng)如下：
羥基自由基一種很強的氧化劑，其氧化電極電位高達2.8V（vs.SHE），分別比H2O2的1.76V和O3的2.07V高59％和35％，也比其它一些常用的強氧化劑如KMnO4、Cl2和ClO2的氧化電極電位高。同時，羥基自由基的電子親和能力為569.3KJ，具有很高的電負性或親電性，能夠?qū)Π钡M行有效的氧化。氨氮可以被羥基自由基
氧化為氮氣和水。
2.2、實驗裝置。本次實驗的主要儀器裝置一覽表見2。
2.3、實驗方法。實驗原水采用模擬氨氮污水，每次實驗用水量為1L，采用硫酸銨配制模擬氨氮污染液，濃度為為8mg/L（以NH4計）。氨氮的測定采用《水質(zhì)氨氮的測定納氏試劑分光光度法（HJ535—2009）》，pH的測定使用酸度計。
根據(jù)正交實驗表3進行各組實驗。
2.4、實驗步驟。以1號實驗為例。a.用硫酸銨配制8mg/L的模擬氨氮污水，倒入電解槽中)。b.添加0.825g氯化鈉(500mg/LCl-)，調(diào)節(jié)pH=5。c.安裝電極板至電解槽兩側(cè)，連接電線至直流穩(wěn)壓電源。d.設(shè)置穩(wěn)壓直流電源的電流為0.5A，打開電源并記錄開始時間點解時間為15min。e.電解結(jié)束后，測試水樣的pH，并取樣測試氨氮含量，記錄結(jié)果。f.調(diào)整參數(shù)，重復(fù)a-e，進行下一組實驗。
3、實驗結(jié)果與討論
3.1、試探性實驗結(jié)果及分析。氯離子濃度和氨氮去除的關(guān)系。在做正交實驗之前，對氯離子的添加量做了一組試探性實驗。實驗結(jié)果如見表5。初始氨氮濃度8.96mg/L，電流密度5mA/cm2，極板間距10cm，電解時間30min，pH=5.68
實驗表明，氯離子含量對氨氮的去除具有重要的意義。氯離子濃度<400mg/L時，氨氮含量不降反增，其原因初步分析如下：
氯離子含量過低，電解液中主要反應(yīng)為式（15），次要反應(yīng)為（16）和（17）。
此時，大量水被電解，僅有極少部分氯氣生成，用以氧化氨氮。也就是說，電解水的量大于氨氮的處理量，造成了氨氮被“濃縮”，含量不降反增。當氯離子濃度達到一定值以后，主要反應(yīng)為（16）和17），此時有足夠的氯氣溶解于水氧化氨氮。從這點來說，氯離子濃度越高，處理效果越好。但氯離子濃度過高，則會導(dǎo)致電流效率低下、能源浪費的問題，甚至會有氯氣逸出，造成安全隱患。因此，應(yīng)當合理控制氯離子濃度，原則是在保障氨氮去除效果的同時，盡量降低氯離子濃度。
3.2、正交試驗結(jié)果及分析。正交試驗的結(jié)果采用方差分析法，分析結(jié)果見表6。從正交實驗的極差分析中我們可以確定各因子對氨氮去除效果的主次順序為：時間、氯離子濃度、pH、電流密度、極板類型。最優(yōu)水平組合為pH=7，電解時間為90min，氯離子濃度為2000mg/L，電流密度為20mA/cm2，電極板組合為銥鉭鈦板-316不銹鋼。同時根據(jù)分析結(jié)果可以得出，電解時間越長、氯離子濃度越高、電流密度越大，處理的效果越好。但是也應(yīng)該注意，電解時間過長和電流密度過高，會造成電流效率低下、能耗高的問題；氯離子濃度過高有可能會使過量的氯氣逸出，造成安全隱患
4、結(jié)論
根據(jù)正交實驗的結(jié)果，可以確定在一定的工藝條件下，能夠?qū)ⅰ⒊鏊钡繙p少至0.2mg/L及其以下。陽極材料需要選用貴重金屬涂層鈦電極，陰極可以選用防腐蝕性能較好的316不銹鋼板。
作者：宛世昊，吳勇，古騰，王正，韓莉璧
