高壓脈沖放電等離子體處理活性紅X－3B染料廢水

許 開，彭會清，董冰巖

(1.武漢理工大學 資源與環境工程學院，湖北 武漢430070;2.江西理工大學 應用科學學院，江西 贛州 341000)

高壓脈沖放電等離子體處理活性紅X－3B染料廢水

許 開1，2，彭會清1，董冰巖2

(1.武漢理工大學 資源與環境工程學院，湖北 武漢430070;2.江西理工大學 應用科學學院，江西 贛州 341000)

采用高壓脈沖放電等離子體技術對活性紅X－3B染料廢水進行處理，考察了廢水電導率、脈沖電壓、脈沖頻率、針板間距以及曝氣量對處理效果的影響。實驗結果表明，當廢水電導率為200 μS/cm、脈沖電壓為34 kV、脈沖頻率為60 Hz、針板間距為15 mm、曝氣量為12 L/h、處理時間為60 min時，活性紅X－3B染料廢水脫色率能達到 98.6%。

高壓脈沖;等離子體;染料;活性紅X－3B;脫色;廢水處理

印染廢水是工業生產發生量最大、危害嚴重且難以治理的三大廢水(印染、造紙、高濃度有機廢水)之一。傳統的處理方法存在一定的缺陷，人們開始研究高效、低能耗、無二次污染的高級氧化技術。近些年來高級氧化技術用于廢水處理的研究得到迅猛發展。高壓脈沖等離子體技術作為新的高級氧化技術是20世紀80年代開始形成的難生物降解有毒污染物的處理技術。Clements等［1］采用高壓脈沖等離子體高級氧化技術處理廢水，高壓脈沖產生的高能電子與H2O、O2等分子碰撞，發生激發、裂解或電離，生成·OH、O·等強氧化性自由基和 O3、H2O2

［1－2］等強氧化性的活性物質，這些自由基和活性物質可以分解污染物質，并且此過程是不可逆的，采用高壓脈沖技術處理有機廢水的報道很多［3－10］。偶氮染料絕大部分是芳香胺經重氮化后與酚類、芳香胺類及具有活性的亞甲基化合物耦合而成，并且被廣泛應用于紡織、造紙、制藥等工業。大多數偶氮染料有三致(致癌、致突變、致畸)作用，而且這些產品正朝著抗光解、抗氧化、抗生物降解的方向發展，從而使染料廢水的處理難度加大［11］.

本工作采用針－板式高壓脈沖放電等離子體技術處理活性紅X－3B染料的模擬廢水，考察了廢水的電導率、脈沖電壓、脈沖頻率、針板間距以及曝氣量對處理效果的影響。

1 實驗部分

1.1 試劑和儀器

KCl:化學純;活性紅 X－3B染料:上海染化八廠。

721型分光光度計:青島路博偉業環保公司;PT－A60型光電分析電子天平:常州亨托電子衡器有限公司;PHS－25型pH計:上海天普分析儀器有限公司;LZB10型玻璃轉子流量計:常州市瑞明儀表廠;ACO－003型電磁式空氣泵:上海禾汽化工科技有限公司;120型電導率分析儀:北京中西遠大科技有限公司。

1.2 實驗裝置

本實驗采用的高壓脈沖電源為大連理工大學靜電與特種電源，主要電氣參數:脈沖為正極性;脈沖寬度小于等于500 nS;脈沖上升前沿小于等于100 nS;脈沖重復頻率為0～200 Hz。

反應器裝置為針－板式［12］，采用有機玻璃圓筒制成，放電極為醫用的針電極，板電極為圓形不銹鋼板(接地)。空氣通過空氣泵壓入氣室，從針孔壓入廢水體系中，流量由玻璃轉子流量計測量。通過玻璃吸管用注射器從容器頂端采樣。

1.3 分析方法

采用分光光度計在536 nm處測定廢水的吸光度，計算廢水脫色率。

2 結果與討論

2.1 廢水電導率對廢水脫色率的影響

廢水的電導率通過加入濃度為0.1 mol/L的KCl溶液調整。當脈沖電壓為34 kV、脈沖頻率為60 Hz、針板間距為15 mm、曝氣量為12 L/h時，廢水電導率對廢水脫色率的影響見圖1。

由圖1可見，隨著廢水電導率的增加，脫色率減小。Clements等［1］研究認為隨著溶液電導率的增加，等離子體的長度逐步減小。這恰好和脫色率隨著電導率增加而減小的實驗現象相符合。

2.2 脈沖電壓對廢水脫色率的影響

當廢水電導率為 200 μS/cm、脈沖頻率為60 Hz、針板間距為15 mm、曝氣量為12 L/h、反應時間為60 min時，脈沖電壓對廢水脫色率的影響見圖2。由圖2可見:隨著脈沖電壓的增加，廢水脫色率增大;當脈沖電壓為34 kV時，廢水脫色率達到95%以上;脈沖電壓繼續增加，廢水脫色率增加不明顯。這與用脈沖放電系統能量的計算公式所得的結果基本相符［13］。這是因為隨著脈沖電壓的增大，反應器內的能量增大，有利于自由基和活性物質產生，但當脈沖電壓達到一定值后，繼續增大電壓反而降低能量利用率，增大了能量消耗［14］，從而使廢水脫色率提高不明顯。因此本實驗最佳電壓為34 kV。

圖2 脈沖電壓對廢水脫色率的影響

2.3 脈沖頻率對廢水脫色率的影響

當廢水電導率為 200 μS/cm、脈沖電壓為34 kV、針板間距為15 mm、曝氣量為12 L/h、反應時間為60 min時，脈沖頻率對廢水脫色率的影響見圖3。

圖3 脈沖頻率對廢水脫色率的影響

由圖3可見:當脈沖頻率為60 Hz時，廢水脫色率最大;當脈沖頻率繼續增大時，廢水脫色率減小。這是由于脈沖頻率過高時，單次脈沖放電時間縮短，致使脈沖電源形成電容的能量在短時間不能迅速釋放，從而能量利用效率有所降低［15］。因此本實驗最佳脈沖頻率為60 Hz。

2.4 針板間距對廢水脫色率的影響

當廢水電導率為 200 μS/cm、脈沖電壓為34 kV、脈沖頻率為60 Hz、曝氣量為12 L/h時，針板間距對廢水脫色率的影響見圖4。由圖4可見，針板間距從10 mm增大到15 mm時，廢水脫色率有明顯的增大，這是因為針板電極間距太小時，容易發生溶液被擊穿，使得活性物質的濃度大大地降低，能量的利用率也下降，從而導致廢水脫色率的降低;當針板間距增大到20 mm時，廢水脫色率反而減小。針板間距是影響電極之間電場強度的一個重要參數，電場強度與電極間距成反比。隨著針板間距的增大，電場強度降低，放電現象減弱，從而高能電子減少，由此碰撞解離生成的等離子體活性物質減少，導致廢水脫色率降低。本實驗最佳針板間距為15 mm。

2.5 曝氣量對廢水脫色率的影響

當廢水電導率為 200 μS/cm、脈沖電壓為34 kV、脈沖頻率為60 Hz、針板間距為15 mm、反應時間為60 min時，曝氣量對廢水脫色率的影響見圖5。由圖5可見:當曝氣量從8 L/h增大12 L/h時，廢水脫色率增大;當曝氣量為12 L/h時，廢水脫色率達98.6%，這是因為隨著空氣的鼓入，溶液中的O2增加，O2在紫外光線和高能電子的作用下通過一系列的反應形成O·和·OH等強氧化性自由基等［15］。這些自由基能降解染料，從而有較好的廢水脫色效果;當曝氣量繼續增大時，脫色率有下降趨勢，這是因為曝氣量太大時，氣體流速過快，使一些活性物質在反應器內的停留時間變短，從而造成放電反應器中分子態的活性物質與污染物分子間的接觸時間變短，使這部分活性物質的利用率下降，導致處理效果的減弱［12］。本實驗最佳曝氣量為12 L/h。

圖5 曝氣量對廢水脫色率的影響

3 結論

采用針－板式高壓脈沖放電等離子體技術處理含偶氮染料活性紅X－3B的模擬廢水，當廢水電導率為200 μS/cm、脈沖電壓為34 kV、脈沖頻率為60 Hz、針板間距為15 mm、曝氣量為12 L/h、處理時間為60 min時，廢水脫色率達98.6%。

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Treatment of Reactive Red X-3B Dye Wastewater by High Voltage Pulse Discharge Plasma

Xu Kai1，2，Peng Huiqing1，Dong Bingyan2

(1.School of Resources and Environmental Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan Hubei 430070，China;
2.School of Application Science，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou Jiangxi 341000，China)

Reactive red X-3B dye wastewater was treated by high voltage pulse discharge plasma technology，and the affecting factors were investigated.The experimental results show that when the wastewater conductivity is 200 μS/cm，the pulse voltage is 34 kV，the pulse frequency is 60 Hz，the needle-plate spacing is 15 mm，the aeration flow is 12 L/h and the treatment time is 60 min，the decoloration rate of the wastewater can reach 98.6%.

high voltage pulse discharge;plasma;dye;reactive red X-3B;decoloration;wastewater treatment

X703.1

A

1006－1878(2011)03－0214－04

2010－11－27;

2011－01－10。

許開(1975—)，男，江西省九江市人，博士生，講師，研究方向為水處理技術。電話0797－8312620，電郵xukai941@163.com。

(編輯 張艷霞)