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(lái)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(wèn)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(guò)火花隙對(duì)電容C充電，接著斷開(kāi)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(guò)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(guò)程中溶液的pH值通過(guò)HCl和NaOH溶液進(jìn)行調(diào)節(jié)，并利用828型pH值測(cè)試儀測(cè)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(jiàn)分光光度計(jì)于464 nm處，通過(guò)測(cè)定甲基橙處理前后的吸光度來(lái)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(guò)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(guò)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(chǎng)強(qiáng)度[7]，導(dǎo)致放電過(guò)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^(guò)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(guò)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(lái)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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