高壓脈沖放電等離子體體系脫色酸性橙染料的研究

高壓脈沖放電等離子體體系脫色酸性橙染料的研究

染料廢水處理是當(dāng)前廢水處理中最難的問題之一。隨著水處理技術(shù)的進步，超聲、超聲波、離心分離、離心分離、高梯度磁分離、濾波技術(shù)等高科技技術(shù)的出現(xiàn)，以及高梯度磁分離技術(shù)等新興技術(shù)的出現(xiàn)。在許多池塘處理的新技術(shù)中，高壓脈沖離心分離技術(shù)是一種高效、低能耗、低處理量、操作簡單的新環(huán)保技術(shù)，近年來成為研究的熱點。有關(guān)高壓脈沖等離子體處理染料廢水的報道,最早由Clements等發(fā)表于1987年的IEEE上.他們研究了單針-板電極形式的高壓脈沖放電系統(tǒng)在水溶液中的預(yù)擊穿現(xiàn)象,并通過反應(yīng)體系對蒽醌染料的脫色效果,研究放電反應(yīng)裝置中的化學(xué)反應(yīng).而后國外有關(guān)高壓脈沖等離子體處理有機廢水的研究報道多集中于對苯酚、氯酚等的降解效果,考察的因素包括放電形式、電極間距、溶液pH值、H2O2添加量等.我國在高壓脈沖放電等離子體降解水溶液中的有機物方面也做了一些研究,華中理工大學(xué)的李勝利等人研究了脈沖電暈放電等離子體對印染廢水的脫色機理;復(fù)旦大學(xué)的朱承駐等人研究了等離子體在內(nèi)電極通入氧條件下降解水溶液中甲基紫的機理.歸納有關(guān)高壓脈沖放電脫色實驗機理研究的分析結(jié)果,普遍認為在外加電場的作用下,高壓脈沖放電電極間形成了強電場和非平衡等離子體通道.等離子體通道內(nèi)的分子和電子相互碰撞,通道空間富集了離子、電子、激發(fā)態(tài)的原子、分子和自由基,提供了極活潑的反應(yīng)性物種,如·OH,·H,·O,·H,·HO2和O3等.這些活性物種在通常的化學(xué)反應(yīng)中不易得到,但在等離子態(tài)卻可持續(xù)地產(chǎn)生,然后引發(fā)一系列復(fù)雜的物理、化學(xué)反應(yīng),破壞染料中的脫色基團,從而達到脫色目的.在反應(yīng)過程中起脫色作用的最主要的活性基團是·OH和O3.在己有研究結(jié)論的基礎(chǔ)上,本項研究建立了多針-板電極高壓脈沖放電體系,以考察高壓脈沖放電多等離子體通道對染料的脫色效果.1試驗部分1.1脈沖電源參數(shù)實驗用裝置如圖1所示.圓筒容器尺寸為直徑100mm,高26.5mm.多針電極由7個12#注射器針頭均勻分布在一個直徑為60mm的不銹鋼圓盤上.直徑為80mm的不銹鋼平板作接地電極.脈沖電源參數(shù)為:脈沖電壓峰值范圍為0?50kV,脈沖頻率變化范圍為0?200Hz,脈沖電容為2nF,脈沖寬度小于500ns,脈沖前沿上升時間低于100ns.空氣通過注射器針頭由泵鼓入反應(yīng)體系中,本研究過程中固定鼓氣速率為5L/min.1.2電源信號的顯示實驗研究以典型的偶氮染料酸性橙Ⅱ為處理對象,通過P6015A電壓探頭采集處理過程中電源的電壓信號,由TDS2024數(shù)字示波器處理顯示數(shù)據(jù)波形;828型pH值測試儀測定溶液的pH值;脫色效果由UV-2102C紫外分光光度計在酸性橙Ⅱ的最大吸收波長485nm下測定的吸光度計算得出.1.3脫色率的測定實驗用水樣用去離子水和酸性橙Ⅱ染料配制而成,溶液的初始濃度為10mg/L,該濃度下水樣的pH值約為6.4.實驗過程中每15min取一定水樣測定吸光度,計算相應(yīng)的脫色率.實驗中總的處理時間為60min.2結(jié)論與分析2.1脈沖放電系統(tǒng)脈沖頻率的影響脈沖頻率是脈沖放電等離子體體系降解有機物過程中一個重要的電氣因素,因此實驗最先考察了脈沖頻率對酸性橙Ⅱ染料廢水脫色效果的影響.在脈沖電壓固定脈沖放電峰值電壓為30kV,電極間距為2.5cm的實驗條件下,考察脈沖頻率分別為25Hz,50Hz和75Hz時放電體系對染料廢水的脫色效果,結(jié)果如圖2所示.實驗結(jié)果表明在本反應(yīng)體系中,脈沖頻率的變化對染料廢水的脫色效果影響顯著,隨著系統(tǒng)脈沖頻率的增大,染料溶液脫色率提高.脈沖放電處理60min后,染料溶液的脫色率由脈沖頻率為25Hz時的16.4%提高到脈沖頻率為75Hz時的92.7%.這一實驗結(jié)論與用脈沖放電系統(tǒng)能量的計算公式計算所得的結(jié)果基本相符.式中W為放電體系中的總能量.W與脈沖放電系統(tǒng)的成型電容(C)、脈沖頻率(f)以及脈沖電壓(V)的平方成正比.鑒于整個反應(yīng)體系中總的能量在傳輸過程中的損失無從估計,但在系統(tǒng)成型電容及放電電壓一定的條件下,隨著系統(tǒng)脈沖頻率的增大,傳入脫色反應(yīng)體系中的總能量也必將增大,從而導(dǎo)致有機染料廢水的脫色率增大.2.2脈沖電源測試在單針-板電極形式的放電體系中,不同的放電間距可以形成不同的放電形式,而引起有機物降解率的變化.因此,對本實驗考察了該多針-板電極脈沖放電系統(tǒng)在不同電極間距條件下對酸性橙Ⅱ溶液的脫色效果,實驗結(jié)果如圖3所示.實驗條件為:28kV,50Hz脈沖電源;所考察的電極間距分別為1.0cm,1.5cm和2.5cm.圖中結(jié)果表明隨著放電間距的減小,染料溶液的脫色率逐漸提高,放電處理30min后,1.0cm電極間距條件下酸性橙Ⅱ的脫色率為73.2%;1.5cm電極間距下,脈沖放電處理60min的酸性橙Ⅱ溶液的脫色率達92%.同樣,在實驗過程中觀察到1.0cm電極間距時,脈沖放電較1.5cm和2.5cm電極間距條件下強烈,屬于火花放電.因為火花放電過程中脈沖放電等離子與染料溶液作用劇烈,相應(yīng)地產(chǎn)生的·OH,·H,·O,·H,·HO2和O3等活性自由基數(shù)目也較多,對染料的氧化作用強,致使染料脫色效果明顯.2.3高壓脈沖放電對染料脫色的影響圖4為在不同的初始pH條件(酸性pH值4,初始值,堿性pH值10)下,多針-板電極放電系統(tǒng)對酸性橙Ⅱ溶液的脫色效果的比較.實驗中脈沖放電電壓定為30kV,脈沖頻率定為50Hz.實驗結(jié)果表明,酸性溶液條件下染料的脫色效果最好,而堿性條件下的效果較差,這與其他研究者的有關(guān)高壓脈沖放電系統(tǒng)對染料廢水脫色效果的研究結(jié)果一致.其主要原因是:在酸性條件下,脈沖放電等離子體氧化降解有機物過程中起主要作用的·OH氧化能力強;而在堿性溶液中,·OH不具有選擇性,從而降低了放電體系對染料的氧化效率.2.4溶液初始濃度對脫色率的影響在脈沖放電電壓為30kV,脈沖頻率為50Hz的實驗條件下,不同初始濃度的酸性橙Ⅱ溶液放電處理不同時間的脫色率如圖5所示.實驗結(jié)果表明,隨著放電時間的增加,各初始濃度下的脫色效率逐漸提高.不同溶液初始濃度條件下,濃度為20mg/L的染料溶液的脫色率較濃度為50mg/L和10mg/L的染料溶液的脫色率高.放電處理60min時,多針-板放電體系對初始濃度為20mg/L的酸性橙Ⅱ染料的脫色率為87.5%,較相同處理時間時初始濃度為10mg/L溶液的脫色率提高了31.4%,溶液初始濃度為50mg/L時的脫色率則略有下降,約為85%.出現(xiàn)這一結(jié)果可以解釋為溶液初始濃度低時,由于脈沖放電過程中產(chǎn)生的自由基與有機物之間的碰撞幾率較低,產(chǎn)生的自由基之間發(fā)生了相互作用,真正起氧化降解有機物作用的自由基數(shù)目相對較少,致使染料溶液的脫色率不高;隨著溶液初始濃度的增加,與有機物作用的自由基數(shù)目也逐漸增多,即此時放電體系中氧化自由基的利用率提高,從而使染料溶液的脫色率增加.然而,隨著溶液初始濃度的進一步提高,溶液中有機物的量超過了脈沖放電反應(yīng)體系中產(chǎn)生的自由基的數(shù)目,而使體系中染料的脫色率下降.由此說明,在一定的電氣及溶液參數(shù)條件下,本研究所用的多針-板電極脈沖放電體系中生成的氧化自由基數(shù)目是一定的,其可以氧化的有機物的量也是一定的.3多針-板電極脈沖放電的穩(wěn)定性①作為與脈沖放電體系中總能量有關(guān)的因素,脈沖頻率的增加能提高多針-板電極放電系統(tǒng)對酸性橙Ⅱ染料溶液的脫色率.②因為不同電極間距條件