低溫等離子體降解水中活性藍160影響因素和動力學研究*

2020-02-09 02:03:06劉匯源潘立軍馮景偉

廣州化工 2020年1期

劉匯源，金華，姜陸，耿菁，潘立軍，馮景偉

(合肥工業(yè)大學土木與水利工程學院，安徽合肥 230009)

近年來，染料廢水污染對環(huán)境的影響越發(fā)嚴重，染料廢水的處理引起了國內外學者的廣泛關注，而染料本身具有有機物濃度高、色度深、污染物組分差異大等特點，加大了其治理的難度。目前染料廢水治理的方法主要有吸附法、膜技術法、高級氧化法和生物處理法等[1]，其中，高級氧化技術由于具有設備簡單、反應速度快、對廢水中有機污染物降解能力強等優(yōu)勢[2]，在廢水治理領域的研究十分活躍。低溫等離子體是高級氧化技術的一種，本實驗嘗試采用低溫等離子體降解水中染料，以活性藍160染料為研究對象，探討放電功率、空氣流量、pH值以及染料初始濃度對活性藍160降解的影響，同時對活性藍160降解過程動力學進行研究。

1 實驗

1.1 試劑和儀器

實驗試劑：活性藍160、硫代硫酸鈉、鹽酸、氫氧化鈉等。

實驗儀器：CTP-2000K高壓電源，南京蘇曼電子有限公司；UV-5500PC紫外分光光度計，上海元析儀器有限公司；PHS-3C pH計，上海儀電科學儀器股份有限公司。

1.2 降解實驗

采用高壓放電方式產生低溫等離子體，將一定濃度的活性藍160溶液置于低溫等離子體反應器中，調節(jié)放電功率、空氣流量，接通高壓電源，開展低溫等離子體降解活性藍160實驗。實驗過程中每2 min取樣一次，所取出的樣品加入反應終止劑硫代硫酸鈉終止反應，采用紫外可見分光光度計在617 nm處測其吸光度，根據標準曲線計算樣品活性藍160濃度。

2 結果與討論

2.1 放電功率對活性藍160降解的影響

圖1為初始pH 7.0、活性藍160初始濃度60 mg/L、空氣流量56 L/h時，不同放電功率對活性藍160降解的影響。由圖1可知，活性藍160的降解率隨著放電功率的增大而增大。在放電功率為15 W，12 min時活性藍160的降解率為49.2%，而當放電功率提高至30 W時，活性藍160的降解率為97.4%，這表明放電功率越大，活性藍160降解效率越快。采用偽一級動力學對各條件下的活性藍160的降解情況進行擬合[3-4]，結果如表1所示。由表1可知，隨著放電功率增大，反應速率常數k值逐漸增大，30 W的反應速率常數是15 W的近十倍，45 W和30 W的反應速率常數相差不大。這是由于當其他因素一定時，放電功率升高，低溫等離子體反應器內產生更多的高能電子和活性基團，從而使活性物質與活性藍160分子的反應幾率增加，進而提高了活性藍160的降解率[5]。放電功率30 W和45 W時，兩者的降解率趨勢一致，且在8 min后兩者降解率幾乎相同，這是由于放電功率過大導致部分H2O2和O3分解[6]。

圖1 放電功率對活性藍160降解的影響

表1 不同影響因素下偽一級降解動力學的動力學參數

2.2 空氣流量對活性藍160降解的影響

圖2為初始pH 7.0、活性藍160初始濃度60 mg/L、放電功率30 W時，不同空氣流量對活性藍160降解的影響。空氣流量從16 L/h升高到36 L/h時，隨著空氣流量的增加，活性藍160降解率呈現出明顯的上升趨勢。空氣經高電壓擊穿后會產生強氧化性的活性物質如O3、H2O2等，這些強氧化性的活性物質可以有效氧化分解活性藍160，隨著空氣流量的增加 O3和H2O2的濃度也在增加，有利于活性藍160的降解[7]。隨著空氣流量的增大，低溫等離子體反應器內活性藍160溶液的紊流程度增加，氣泡分布也較為均勻，氣泡量和紊流程度的增加，使得放電生成的自由基與活性粒子能與活性藍160分子混合的更充分[8]，從而提高了活性藍160的降解率。空氣流量為36 L/h和56 L/h時的去除率無顯著差異，可能的原因是：雖然提高空氣流量增加了活性物質的數量和溶液的穩(wěn)定程度，但是由于過高的空氣流量降低了活性物質與活性藍160的接觸時間，進而整體表現為兩種空氣流量下活性藍160的去除率差異不大。偽一級動力學方程擬合結果顯示(表1)，空氣流量為36 L/h時的k值是16 L/h時的1.6倍；空氣流量為36 L/h和56 L/h時的反應速率常數差異不大。

圖2 空氣流量對活性藍160降解的影響

2.3 pH對活性藍160降解的影響

圖3 初始pH對活性藍160降解的影響

2.4 活性藍160初始濃度對其降解的影響

圖4 活性藍160初始濃度對其降解的影響

圖4為初始pH 7.0、放電功率30 W，空氣流量56 L/h、不同染料初始濃度對活性藍160降解的影響。一般而言，在相同的實驗條件下，輸入反應器的能量是一定的，由高壓放電產生的活性物質數量也基本相同，因此，當污染物的濃度較高時，污染物產生的降解產物會競爭與活性物質反應，導致污染物的降解率降低[12-14]。然而，由圖4可知，不同活性藍160初始濃度的降解率曲線十分接近，染料初始濃度對活性藍160的降解影響較小，這可能是由于此實驗條件下低溫等離子體產生的活性物質數量足夠多，污染物的降解產物與污染物競爭活性物質的程度并不明顯。偽一級動力學擬合結果也表明(表1)，反應速率常數k值隨活性藍160初始濃度變化并不顯著。