高效脈沖放電協(xié)同TiO2處理染料廢水

閆正，劉濤濤，張文明，李慶，李文昭

(河北大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河北 保定 071002)

偶氮染料普遍應(yīng)用于人們的生活當(dāng)中，特別是當(dāng)其進(jìn)入環(huán)境中，經(jīng)光輻射或人體內(nèi)特種酶等作用而降解成的芳胺類物質(zhì)[1]，對(duì)人類有嚴(yán)重的致癌作用.同時(shí)對(duì)于偶氮染料的治理，傳統(tǒng)的物理生化法逐漸暴露出治理成本高、易產(chǎn)生二次污染等缺點(diǎn)，使得對(duì)未來的染料生產(chǎn)和印染工業(yè)廢水的有效處理也成為日益嚴(yán)峻的問題.

本文利用針-板式放電的實(shí)驗(yàn)方法，考察了峰值電壓、放電電容、溶液初始pH值、TiO2的投加對(duì)MO去除率的影響.

1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物Fig.1 Physical diagram of experimental apparatus

圖1為實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖,裝置由直流高壓電源、消弧旋轉(zhuǎn)火花器、放電電容和反應(yīng)器組成.首先電源通過火花隙對(duì)電容C充電，接著斷開火花隙電容對(duì)反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)高壓脈沖放電，將能量注入反應(yīng)器內(nèi).直流電源峰值電壓為0～60 kV，脈沖頻率0～30 Hz.反應(yīng)器為有機(jī)玻璃制成，其內(nèi)徑64 mm，高128 mm；放電電極為6﹟不銹鋼針頭；接地電極為一個(gè)直徑24 mm的不銹鋼圓盤；針-板電極間距可調(diào).空氣通過裝置的通氣孔鼓入反應(yīng)器中，速率固定為5 L/min.

1.2 實(shí)驗(yàn)分析方法

實(shí)驗(yàn)過程中溶液的pH值通過HCl和NaOH溶液進(jìn)行調(diào)節(jié)，并利用828型pH值測試儀測定溶液的pH值；TiO2載片為50 mm×50 mm的玻璃片，且采用浸漬提拉法制備TiO2膜[3-6]；甲基橙的降解率采用JASCO V-550紫外-可見分光光度計(jì)于464 nm處，通過測定甲基橙處理前后的吸光度來計(jì)算其脫色率，公式為：脫色率=(A0-A)/A0×100%，其中：A0為反應(yīng)前吸光度；A為反應(yīng)后吸光度.實(shí)驗(yàn)過程中所有溶液均用去離子水配置.

2 結(jié)果與討論

2.1 峰值電壓對(duì)甲基橙降解效果的影響

脈沖峰值電壓作為高壓脈沖低溫等離子放電過程中最重要的因素之一，峰值的高低決定著瞬間產(chǎn)生的能量是否足夠拉斷污染物的化學(xué)鍵、破壞其穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，進(jìn)而使水體中的污染物質(zhì)得以去除.該實(shí)驗(yàn)考察了峰值電壓分別為10，13，16 kV下的作用效果.其他參數(shù)：脈沖頻率為20 Hz，針板距離為5 mm，載氣為空氣.

由圖2可得：峰值電壓的大小對(duì)MO的脫色去除效果顯著，MO的去除效率隨脈沖峰值電壓增大而提高.當(dāng)峰值電壓為13 kV，放電30 min時(shí)，甲基橙的去除率為96.7%.隨著峰值電壓不斷升高，針尖瞬間釋放的能量不斷增大，強(qiáng)烈沖擊不飽和化學(xué)鍵，迫使其斷裂，且提高了針尖附近的電場強(qiáng)度[7]，導(dǎo)致放電過程中·OH，O·，O3等強(qiáng)氧化基團(tuán)的數(shù)量增多，進(jìn)而促進(jìn)了染料的降解，但當(dāng)峰值電壓上升到16 kV時(shí)，相較13 kV時(shí)，MO的去除效果變化不大，但注入反應(yīng)器能量升高，使得能量使用效率大大降低.

2.2 初始放電電容對(duì)甲基橙去除效果的影響

電容即表征電容器容納電荷本領(lǐng)的物理量.保持電源頻率為20 Hz、針板間距5 mm、峰值電壓13 kV下對(duì)MO溶液進(jìn)行降解.隨著初始放電電容由5 nF增高至27 nF，在反應(yīng)初始的20 min內(nèi)，放電時(shí)產(chǎn)生的火花更明亮有力，產(chǎn)生的氣泡體積數(shù)量也在變大增多.由圖3可看出，MO的降解速率隨著初始放電電容增大而增大.30 min后，反應(yīng)速率逐漸趨于平緩.在放電電壓保持不變情況下，放電電容的增大使充電電荷量變多，針尖對(duì)水作用力變強(qiáng)后，能更好地破壞污染物的穩(wěn)定性，加速其分解，同時(shí)也有效地提高了能量效率[8].

圖2 MO去除效果與脈沖峰值電壓的關(guān)系Fig.2 Relationship of degradation of MOand Pulse discharge voltage

圖3 MO的降解效果與初始放電電容的關(guān)系Fig.3 Relationship of degradation of MO and initial discharge capacitor

2.3 溶液的pH值對(duì)甲基橙去除率的影響

考察了不同放電條件下，溶液初始pH值對(duì)MO降解效果的影響.當(dāng)初始溶液pH值為中性時(shí)，將放電電容增大至27 nF，MO的去除率由48.6%提高到88.7%.固定電容為27 nF，由圖4可得，當(dāng)溶液初始pH為酸性時(shí)，降解10 min，MO降解率可達(dá)到96%以上，而當(dāng)溶液為堿性時(shí)，降解率只有70%.所以初始溶液為酸性更有利于MO的去除，這是因?yàn)樵诩谆鹊慕到膺^程中強(qiáng)氧化劑·OH和O3起了決定性作用.而在堿性條件下O3極易分解[9]，導(dǎo)致產(chǎn)生的活性離子數(shù)量減少，直接影響去除效果.

2.4 TiO2添加量對(duì)甲基橙去除效果的影響

實(shí)驗(yàn)中除載片上所涂TiO2厚度不同，其他實(shí)驗(yàn)參數(shù)均不變：峰值電壓為13 kV，頻率為20 Hz，放電電容5 nF，針板間距5 mm，載氣為空氣.0，7，14，21，28 μm不同厚度的TiO2載片的投加對(duì)染料降解率的影響如圖5所示.

圖4 MO的去除率與溶液初始pH值的關(guān)系Fig.4 Relationship of degradation(MO)and pH value of the initial solution

圖5 MO去除率與TiO2的添加量的關(guān)系Fig.5 Relationship of degradation(MO)and the amount of TiO2

由圖5可看出，隨TiO2厚度的增加，染料的降解率有先增大再下降的趨勢(shì).當(dāng)厚度為21 μm降解20 min時(shí)，MO的去除率即可達(dá)到98%以上.但是當(dāng)厚度達(dá)到28 μm時(shí)，處理20 min，MO降解率只有87.1%.因?yàn)殡S著涂在載片上TiO2厚度的增加，光催化作用增強(qiáng)，產(chǎn)生的紫外光和進(jìn)入溶液的活性離子隨之增加，故降解率得到提高，當(dāng)厚度增加至21 μm時(shí)，達(dá)到一個(gè)最大值，當(dāng)繼續(xù)增加載片上TiO2的厚度，過多的催化劑相互疊加，利用效率降低，使得紫外光的透射性[10-11]降低，進(jìn)而影響了去除效果.

3 結(jié)論

1)自主研制的高壓滅弧旋轉(zhuǎn)火花隙電源較以前的高壓電源能更有效地破壞染料分子的發(fā)色集團(tuán)，且大大減少了能量的損耗，提高了能量的利用效率.

2)偶氮染料的去除率隨峰值電壓的升高而增大.在電壓13 kV、頻率20 Hz、pH為2、放電電容27 nF時(shí)，放電10 min，甲基橙的降解率即可達(dá)96%以上.

3)溶液初始pH對(duì)甲基橙去除效果影響明顯，當(dāng)溶液初始pH為酸性溶液時(shí)，更有利于溶液中強(qiáng)氧化劑·OH和O3的形成，從而影響去除效果.

4)光催化劑TiO2的添加有效地提高了甲基橙的降解效率，進(jìn)一步證明了高壓脈沖等離子體與光催化聯(lián)用技術(shù)在未來對(duì)污染物質(zhì)的降解中有廣泛的應(yīng)用前景.

參 考 文 獻(xiàn):

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