劉匯源，金 華，姜 陸，耿 菁，潘立軍，馮景偉

(合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

近年來，染料廢水污染對(duì)環(huán)境的影響越發(fā)嚴(yán)重，染料廢水的處理引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，而染料本身具有有機(jī)物濃度高、色度深、污染物組分差異大等特點(diǎn)，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(shù)法、高級(jí)氧化法和生物處理法等[1]，其中，高級(jí)氧化技術(shù)由于具有設(shè)備簡(jiǎn)單、反應(yīng)速度快、對(duì)廢水中有機(jī)污染物降解能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)[2]，在廢水治理領(lǐng)域的研究十分活躍。低溫等離子體是高級(jí)氧化技術(shù)的一種，本實(shí)驗(yàn)嘗試采用低溫等離子體降解水中染料，以活性藍(lán)160染料為研究對(duì)象，探討放電功率、空氣流量、pH值以及染料初始濃度對(duì)活性藍(lán)160降解的影響，同時(shí)對(duì)活性藍(lán)160降解過程動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試劑和儀器

實(shí)驗(yàn)試劑：活性藍(lán)160、硫代硫酸鈉、鹽酸、氫氧化鈉等。

實(shí)驗(yàn)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(jì)，上海元析儀器有限公司；PHS-3C pH計(jì)，上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司。

1.2 降解實(shí)驗(yàn)

采用高壓放電方式產(chǎn)生低溫等離子體，將一定濃度的活性藍(lán)160溶液置于低溫等離子體反應(yīng)器中，調(diào)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(lán)160實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中每2 min取樣一次，所取出的樣品加入反應(yīng)終止劑硫代硫酸鈉終止反應(yīng)，采用紫外可見分光光度計(jì)在617 nm處測(cè)其吸光度，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算樣品活性藍(lán)160濃度。

2 結(jié)果與討論

2.1 放電功率對(duì)活性藍(lán)160降解的影響

圖1為初始pH 7.0、活性藍(lán)160初始濃度60 mg/L、空氣流量56 L/h時(shí)，不同放電功率對(duì)活性藍(lán)160降解的影響。由圖1可知，活性藍(lán)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(shí)活性藍(lán)160的降解率為49.2%，而當(dāng)放電功率提高至30 W時(shí)，活性藍(lán)160的降解率為97.4%，這表明放電功率越大，活性藍(lán)160降解效率越快。采用偽一級(jí)動(dòng)力學(xué)對(duì)各條件下的活性藍(lán)160的降解情況進(jìn)行擬合[3-4]，結(jié)果如表1所示。由表1可知，隨著放電功率增大，反應(yīng)速率常數(shù)k值逐漸增大，30 W的反應(yīng)速率常數(shù)是15 W的近十倍，45 W和30 W的反應(yīng)速率常數(shù)相差不大。這是由于當(dāng)其他因素一定時(shí)，放電功率升高，低溫等離子體反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生更多的高能電子和活性基團(tuán)，從而使活性物質(zhì)與活性藍(lán)160分子的反應(yīng)幾率增加，進(jìn)而提高了活性藍(lán)160的降解率[5]。放電功率30 W和45 W時(shí)，兩者的降解率趨勢(shì)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(dǎo)致部分H2O2和O3分解[6]。

圖1 放電功率對(duì)活性藍(lán)160降解的影響

表1 不同影響因素下偽一級(jí)降解動(dòng)力學(xué)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)

2.2 空氣流量對(duì)活性藍(lán)160降解的影響

圖2為初始pH 7.0、活性藍(lán)160初始濃度60 mg/L、放電功率30 W時(shí)，不同空氣流量對(duì)活性藍(lán)160降解的影響。空氣流量從16 L/h升高到36 L/h時(shí)，隨著空氣流量的增加，活性藍(lán)160降解率呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì)。空氣經(jīng)高電壓擊穿后會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)氧化性的活性物質(zhì)如O3、H2O2等，這些強(qiáng)氧化性的活性物質(zhì)可以有效氧化分解活性藍(lán)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(lán)160的降解[7]。隨著空氣流量的增大，低溫等離子體反應(yīng)器內(nèi)活性藍(lán)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(lán)160分子混合的更充分[8]，從而提高了活性藍(lán)160的降解率。空氣流量為36 L/h和56 L/h時(shí)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(zhì)的數(shù)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(zhì)與活性藍(lán)160的接觸時(shí)間，進(jìn)而整體表現(xiàn)為兩種空氣流量下活性藍(lán)160的去除率差異不大。偽一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程擬合結(jié)果顯示(表1)，空氣流量為36 L/h時(shí)的k值是16 L/h時(shí)的1.6倍；空氣流量為36 L/h和56 L/h時(shí)的反應(yīng)速率常數(shù)差異不大。

圖2 空氣流量對(duì)活性藍(lán)160降解的影響

2.3 pH對(duì)活性藍(lán)160降解的影響

圖3 初始pH對(duì)活性藍(lán)160降解的影響

2.4 活性藍(lán)160初始濃度對(duì)其降解的影響

圖4 活性藍(lán)160初始濃度對(duì)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(duì)活性藍(lán)160降解的影響。一般而言，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，輸入反應(yīng)器的能量是一定的，由高壓放電產(chǎn)生的活性物質(zhì)數(shù)量也基本相同，因此，當(dāng)污染物的濃度較高時(shí)，污染物產(chǎn)生的降解產(chǎn)物會(huì)競(jìng)爭(zhēng)與活性物質(zhì)反應(yīng)，導(dǎo)致污染物的降解率降低[12-14]。然而，由圖4可知，不同活性藍(lán)160初始濃度的降解率曲線十分接近，染料初始濃度對(duì)活性藍(lán)160的降解影響較小，這可能是由于此實(shí)驗(yàn)條件下低溫等離子體產(chǎn)生的活性物質(zhì)數(shù)量足夠多，污染物的降解產(chǎn)物與污染物競(jìng)爭(zhēng)活性物質(zhì)的程度并不明顯。偽一級(jí)動(dòng)力學(xué)擬合結(jié)果也表明(表1)，反應(yīng)速率常數(shù)k值隨活性藍(lán)160初始濃度變化并不顯著。

3 結(jié) 論

(1)隨著放電功率的增大，活性藍(lán)160的降解率增大，反應(yīng)速率常數(shù)k值逐漸增大，但在功率較高時(shí)，隨著功率增加，k值變化不大。

(2)在較低空氣流量時(shí)(16 L/h、36 L/h)，隨著空氣流量的增大，活性藍(lán)160的降解率逐漸提高，反應(yīng)速率常數(shù)k值逐漸增大；在較高空氣流量時(shí)(36 L/h，56 L/h)，反應(yīng)速率常數(shù)k值無顯著性差異。

(3)隨著溶液初始pH的增大，活性藍(lán)160的降解率增大，堿性條件有利于活性藍(lán)160的降解，反應(yīng)速率常數(shù)k值在pH為10時(shí)達(dá)最大值。

(4)活性藍(lán)160初始濃度其降解率影響較小，反應(yīng)速率常數(shù)k值隨活性藍(lán)160初始濃度的變化不顯著。