水力空化與臭氧聯合降解羅丹明B

馮中營，趙婷婷

(1 太原工業學院理學系, 山西 太原030008；2 陜西師范大學應用聲學研究所，陜西 西安710062)

0 引 言

聲化學的主動力是空化，而最終的、直接的轉換目標是產生大量、強“活性”的空化氣泡.因此，對于大流量的液體的處理，使用流體動力式空化發生器引起了眾多聲化學應用研究者的考慮.水力空化容易產生，空化的操作參數更容易實現控制，使用更加方便，效率更高；但是單獨水力空化的降解效果也是有限的，通過與其他方法結合可以獲得更好的降解效果[1-6].臭氧長期以來就被認為是一種有效的氧化劑和消毒劑，并對有機染料具有較好的降解效果，但將臭氧通入反應器后，會有大量的臭氧立即逃逸出反應液，從而不能參與反應而造成大量的臭氧被浪費.環境中臭氧濃度過高還會對人造成一定的危害.將水力空化與臭氧聯合，不但可以減少臭氧的使用量，避免臭氧浪費，而且獲得更好的降解結果.本研究選用羅丹明B(Rhodamine B)作為降解的物質，它又稱玫瑰紅B,或堿性玫瑰精，俗稱花粉紅，是一種具有鮮桃紅色的人工合成的染料.經老鼠試驗發現，羅丹明B會引致皮下組織生肉瘤，被懷疑是致癌物質，因此降解水中的羅丹明B可以減少污染從而減少癌癥發病率.

本研究采用相同穿孔面積，兩種不同孔徑和孔數的孔板，研究探討水力空化、臭氧與水力空化聯合降解羅丹明B的效果，使得臭氧利用率達到最高.

1 實驗部分

1.1 試 劑

Rhodamine B，分析純，分子式C28H31ClN2O3，分子量479.02.實驗中用蒸餾水配制羅丹明B質量濃度為2 mg/L.

1.2 分析方法

本研究通過不同實驗條件下的不同降解方式對羅丹明B的降解率來評測降解效果.通過測定羅丹明B反應前后的濃度來求得水力空化對羅丹明B的降解率.濃度測定采用紫外可見分光光度計，通過測量羅丹明B溶液的吸光度(Abs.)后由儀器自動計算其濃度，其原理是朗伯-比爾(Lambert-Beer)定律，物質在一定波長的吸光度與它的吸收介質的厚度和吸光物質的濃度呈正比.

2 結果與討論

本研究首先進行了單獨臭氧降解實驗，臭氧、水力空化依次降解實驗；最后進行兩種穿孔板在通入不同通氣量臭氧時的聯合降解實驗，研究通入臭氧對降解效果的影響.

2.1 臭氧降解實驗

在不同的臭氧通氣量條件下，羅丹明B降解率隨時間的變化關系如圖1所示.

圖1 降解率隨時間的變化關系Fig.1 Effect of time on the degradation

臭氧單獨作用時降解率隨時間的延長而增加，隨通氣量的增加而增加.在通氣量為1 L/min時，經過10 min，羅丹明B的降解率為21.17%，經過20 min，羅丹明B的降解率就達43.87%，經過60 min，降解率可達82.23%.

2.2 臭氧、水力空化降解實驗

2 mm孔徑、孔數為9的穿孔板與通氣量為1 L/min的臭氧聯合，臭氧通入實驗容器中，而不通入實驗管道，此時可以認為臭氧先參與降解反應，然后水力空化參與降解反應，兩者之間無聯合協同作用關系.當穿孔板的進口壓強為0.2 MPa時，羅丹明B降解率隨時間的變化關系如圖2所示.

圖2 降解率隨時間的變化關系Fig.2 Effect of time on the degradation

隨著時間的延長，羅丹明B的降解率增加，10 min后，羅丹明B的降解率為27.70%，經過20 min，羅丹明B的降解率就達51.81%，處理60 min時，降解率可達86.55%.通過與前面的實驗數據對比可以得出，用臭氧及水力空化降解羅丹明B，其降解率僅比單獨臭氧降解略有提高，其結果近似為單獨臭氧降解與單獨水力空化降解效果之和.

2.3 臭氧、水力空化聯合降解羅丹明B的降解率隨氣體通氣量的變化關系

a. 在孔徑為1 mm、孔數為36的穿孔板通入臭氧，在進口壓強為0.3 MPa時，改變臭氧通氣量，羅丹明B降解率隨臭氧通氣量的變化關系如圖3所示.

圖3 降解率隨臭氧流量的變化關系Fig.3 Effect of ozone flux on the degradation

圖3表明，降解率隨臭氧通氣量的增大而增大，當通氣量大于0.7 L/min后，由實驗數據的變化趨勢觀察，通入過量的臭氧后降解率變化不明顯.通入過多的氣體還會抑制水力空化，所以存在一個最佳的臭氧通氣量.

在1 mm孔徑穿孔板，通氣量都為1 L/min時的三種不同情況降解率列于表1，對比看出：水力空化、臭氧聯合作用大大提高羅丹明B的降解率.

表1 不同降解方式的降解率對比表Table 1 Comparison table of degeneration rate of different degeneration methods

b. 孔徑為2 mm、孔數為9的穿孔板與臭氧聯合，在進口壓強為0.2 MPa時，降解率隨臭氧通氣量的變化關系如圖4所示.

圖4 降解率隨臭氧流量的變化關系Fig.4 Effect of ozone flux on the degradation

由圖4可知，降解率隨臭氧通氣量的增大而增大，通入過量的臭氧不僅不促進羅丹明的降解還會抑制水力空化的產生，最佳通氣量為0.7 L/min.

對于孔徑為2 mm穿孔板，通氣量為1 L/min時，三種不同情況降解率列于表2，也表明了水力空化、臭氧聯合作用大大提高羅丹明B的降解率.

表2 不同降解方式的降解率對比表Table 2 Comparison table of degeneration rate of different degeneration methods

c. 換用不同的穿孔板在不同的條件下實驗，結果見表3，降解時間為20 min，結果同樣表明聯合降解的效果非常好.

表3 不同條件下聯合降解率明細表Table 3 Detailed list table of degeneration rate under the dissimilar condition

在聯合降解中無限增加臭氧通氣量，造成臭氧的浪費.本實驗中的通氣量最佳值是根據實驗結束后立即測得的數據而得出的，實踐表明，臭氧通入量大于1 L/min時，反應溶液經過一段時間的靜置后，降解率還會升高.

4 機理探討

通入空氣氣體為水力空化提供了更多的空化氣泡核，提高了水力空化效應；通氣量過大，大量的氣泡則會抑制水力空化的產生.

水力空化與臭氧聯合，對羅丹明B的降解率大大提高，從降解的機理分析，水泵的機械作用將臭氧氣泡粉碎成微氣泡，極大地提高了臭氧的溶解速度，水中的羅丹明B受高濃度的臭氧作用迅速被氧化降解；水力空化效應產生局域高溫高壓條件促使空化泡中O3的直接快速的分解，在溶液中產生了更多的具有活性的HO·.HO·自由基氧化性極強，加速了羅丹明B的氧化降解；空化效應促使O3分解產物由常溫常壓下氧化性弱的O2轉化成常溫常壓下氧化性強的H2O2，使得羅丹明B降解的效果更好.

5 結 語

臭氧(O3)是一種強氧化氣體，對羅丹明B具有很好的降解作用，臭氧通氣量越高，降解效果越好.

對于不同的穿孔板或者不同進口壓強下的同一穿孔板，臭氧與水力空化聯合后對羅丹明B的降解效果遠高于單獨臭氧的降解效果.臭氧與水力空化聯合作為一種不會帶來二次污染的水處理方式具有很好的應用前景，并為我國的聲化學從實驗室到實用化工作提供了一條思路[7-8].

參考文獻：

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