微波誘導H2O2降解甲基橙溶液的研究

李江，張翠紅，陳志敏

（太原工業(yè)學院化學與化工系，山西太原030008）

微波誘導H2O2降解甲基橙溶液的研究

李江，張翠紅，陳志敏

（太原工業(yè)學院化學與化工系，山西太原030008）

本文研究了微波誘導H2O2降解甲基橙的效果。主要考察了甲基橙初始濃度、溶液pH值、雙氧水的投加量、微波輻射時間等因素對甲基橙降解率的影響。實驗結果表明：甲基橙濃度為5mg/ L，pH值為4，0.132mol/L的雙氧水12mL，微波輻射時間為13min時，甲基橙的降解率可達100%。實驗還發(fā)現(xiàn)微波或雙氧水單獨作用于甲基橙溶液，基本沒有降解作用。

微波輻射；H2O2；甲基橙；降解率

進十幾年來，微波技術在一些有機物降解方面得到廣泛的研究和應用［1～3］。微波是頻率大約在300MHz～300GHz，即波長在1mm到100cm范圍內的超高頻電磁波，目前，微波化學所采用的常用頻率為2450MHz［4］。微波能使極性分子高速旋轉碰撞而產(chǎn)生熱效應，改變體系的熱力學函數(shù)，降低反應的活化能和分子的化學鍵強度，同時微波還具有非熱效應即在微波場中劇烈的極性分子震蕩使化學鍵斷裂［5］。

微波/H2O2組合系統(tǒng)是在過氧化氫和微波技術的基礎上發(fā)展起來的高效氧化技術，其原理是H2O2在微波作用下產(chǎn)生氧化性極強的羥基自由基（·OH）與有機物質的作用，使有機物降解并最終完全礦化。此方法具有氧化徹底、反應速度快、處理效率高、無公害等巨大的潛力及獨特的優(yōu)勢［6，7］，但這方面的研究報道較少。

甲基橙是偶氮結構的有機染料，是染料廢水常見的組分之一，本文以H2O2為基本原料，輔助微波輻射，研究其對甲基橙的降解性能，為染料廢水的治理提供基礎的實驗研究。

1　實驗部分

1.1實驗儀器和材料

微電腦微波化學反應器（天津科諾儀器設備有限公司W(wǎng)BFY-205），分光光度計（上海棱光技術有限公司，722s），恒溫磁力攪拌器（常州國華電器有限公司，85-2）。

雙氧水（30%，分析純，天津政成化學制品有限公司），濃硫酸（優(yōu)質純，洛陽市化學試劑廠），甲基橙（分析純，北京化工廠）。

1.2實驗方法

將加入H2O2水溶液的甲基橙溶液置于圓底燒瓶中，接回流裝置，微波輻射，定時移取少量溶液冷卻至室溫，測定溶液的吸光度值，計算甲基橙的降解率。甲基橙的降解率計算公式：U=（1-A0/A）×100%；式中A0-降解之前溶液吸光度，A-降解后溶液吸光度。

2　實驗結果與討論

2.1溶液pH值對甲基橙降解率的影響

100mL 5mg/L的甲基橙溶液中加入10mL0.132mol/L的H2O2，用0.1mol/L硫酸調節(jié)溶液pH值，800w微波輻射13min，降解結果如圖1。

圖1　溶液pH值對降解率的影響

由圖1可知，改變甲基橙溶液的pH值，降解率會隨之變化。未加硫酸調節(jié)即甲基橙的水溶液的pH=6，13min后降解率只有6%，隨著pH的降低，降解率有所提高，當溶液pH=4的時候，甲基橙的降解率最大，可達到87.2%。隨后隨著pH的繼續(xù)降低，降解率反而有所降低。甲基橙溶液具有偶氮染料的醌式結構，溶液外觀為橙紅色，微波作用下的降解效果明顯，生色團被破壞。pH小于4或大于4降解率都逐漸減小，按照經(jīng)典的反應理論，pH值升不利于·OH的產(chǎn)生；當pH低于4時，溶液中H+濃度過高也會抑制·OH的生成，以致影響甲基橙的降解率，所以微波和H2O2處理甲基橙溶液的最佳pH值為4。

2.2微波輻照時間對降解率的影響

在100mL 5mg/L的pH=4的甲基橙溶液中加入0.132mol/L的H2O210mL，800w微波輻射，甲基橙的降解結果如圖2。

圖2　微波輻照時間對降解率的影響

由圖2可以看出，隨著反應時間的延長甲基橙的降解率逐漸增加，反應13min后降解反應達到平衡，降解率最大達到87.2%趨于穩(wěn)定。

2.3雙氧水用量對降解率的影響

100mL 5mg/L的甲基橙溶液中，加入0.132mol/L 的H2O2不同的量，調節(jié)溶液pH=4，微波輻射13min，降解結果如圖3。

圖3　H2O2用量對降解率的影響

H2O2是體系中產(chǎn)生·OH的主體，H2O2的用量將直接影響羥基自由基的生成量，對氧化效率起決定作用。由圖3可知，隨著H2O2用量的增加，甲基橙的降解不斷增大，當H2O2的用量為12mL時，甲基橙溶液降解率達到100%。這說明在降解過程中隨H2O2用量加大，·OH的產(chǎn)生的量也隨之增加，甲基橙的降解率也隨之增加；當H2O2的用量超過12mL時，甲基橙的降解率開始出現(xiàn)下降，這是因為過量的H2O2與·OH反應生成了H2O和O2，消耗了部分·OH，使甲基橙溶液降解率降低。

2.4甲基橙起始濃度對降解率的影響

100mL不同濃度的pH=4的甲基橙溶液，分別加入0.132mol/L的H2O212mL，微波輻射13min，降解結果如圖4。

圖4　甲基橙起始濃度對降解率的影響

由圖4可以看出，隨著甲基橙濃度的增大，降解率逐漸減小。5mg/L的甲基橙溶液降解13min降解率可達到100%，而20mg/L的甲基橙溶相同時間降解率為76.6%。因為不同濃度的甲基橙溶液中所加的H2O2的量是相同的，甲基橙濃度越大，單位濃度所負載的H2O2的量就越少，降解率也就越小。

2.5微波/H2O2、單獨H2O2、單獨微波輻照三者之間的比較

100mL濃度c=5mg/L的pH=6的甲基橙溶液中，加入0.132mol/L的H2O210mL分別考察了三種工藝條件下降解甲基橙的效果（1）僅加入H2O2（2）僅用微波輻射（3）微波和H2O2共同作用。實驗結果如圖5所示。結果表明在甲基橙溶液中只加H2O2，甲基橙沒有任何降解；僅用微波輻射，10min后甲基橙降解率只有2%，隨后降解率基本沒有變化；而采用微波和H2O2共同作用，甲基橙降解率最大可達到42%。分析原因可能是由于由甲基橙的發(fā)色基團是偶氮基，單獨使用微波輻射所產(chǎn)生的能量不足以破壞偶氮類染料的偶氮鍵，所以單獨微波輻射對甲基橙基本沒有降解作用；單獨使用H2O2時，不會產(chǎn)生·OH來氧化偶氮鍵，所以甲基橙也沒有被降解；當微波和H2O2共同作用于甲基橙溶液時，是微波輻射所產(chǎn)生的能量誘導H2O2產(chǎn)生·OH，·OH的強氧化性使偶氮鍵被氧化，偶氮鍵被打開，甲基橙的發(fā)色基團被破壞，所以甲基橙被降解了。

圖5　不同工藝條件對降解率的影響

3　結論

3.1微波/H2O2系統(tǒng)氧化降解甲基橙溶液，降解率與H2O2加入量、甲基橙初始濃度、溶液pH值等有關。甲基橙初始濃度越低，降解率越高；增加H2O2用量可以提高甲基橙降解率，但用量過大反而會抑制降解作用；溶液的酸堿性影響甲基橙的降解率，當pH= 4時降解率最大。

3.2單獨使用微波或單獨加入H2O2對甲基橙幾乎無降解作用，微波/H2O2系統(tǒng)是微波和H2O2共同作用產(chǎn)生強氧化劑·OH，使甲基橙被氧化而發(fā)生了降解。

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［4］金欽漢.微波化學［M］］.北京：科學出版社，1999.

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Study on the degradation ofm ethylorange by H2O2m icrowave indution

LIJiang，ZHANG Cui-hong，CHEN Zhi-min
（Dept.ofChemistry and ChemicalEngineering，Taiyuan InstituteofTechnology，Taiyuan 030008，China）

In thispaper，methyl orangewas degraded by H2O2microwave induction.Mainimpacting factors of degradation rate were investigated，including the concentration ofmethyl orange，pH ofslotion，dosing quantity of H2O2，microwave radiation time.The resultsshowed thatmethylorange concentration of5mg/L，the pH value of4，0. 132mol/L 12mL ofH2O2，microwave irradiation time for13mins，the degradation rate ofmethylorange could reach 100%.Aslo foundmethyl orange was not degraded by the action ofmicrowave alone，orby the action ofhydrogen peroxide alone.

microwave radiation；H2O2；methylorange；degradation rate

10.3969/j.issn.1008-1267.2015.05.004

TQ03-39

A

1008-1267（2015）05-0012-03

2015-03-31

李江（1968～），女，副教授，主要研究方向染料廢水的處理。