多針-水電極直流電暈放電染料廢水脫色＊

王鐵成 魯 娜 李 杰,2＊＊ 吳 彥,2

(1 大連理工大學靜電與特種電源研究所,大連,116024;2 大連理工大學工業(yè)生態(tài)與環(huán)境工程教育部重點實驗室,大連,116024)

多針-水電極直流電暈放電染料廢水脫色＊

王鐵成1魯 娜1李 杰1,2＊＊吳 彥1,2

(1 大連理工大學靜電與特種電源研究所,大連,116024;2 大連理工大學工業(yè)生態(tài)與環(huán)境工程教育部重點實驗室,大連,116024)

采用多針-水電極反應器,研究了直流電暈放電對活性艷藍 KN-R染料廢水的脫色,考察了放電電壓、初始 pH值和初始濃度對活性艷藍脫色的影響,通過對液相活性物質 (O3和·OH)濃度的考察探討了脫色機理.結果表明,多針-水電極直流電暈放電對活性艷藍脫色效果明顯;放電電壓、溶液初始 pH值對活性艷藍脫色效果的影響與其對液相O3和·OH濃度的影響一致;·OH和O3是促使 RBB脫色的主要因素.

多針-水電極,直流電暈放電,染料廢水,脫色.

染料廢水是較難處理的工業(yè)廢水,具有污染物濃度高、色度深、生化降解能力差、對水環(huán)境危害嚴重等特點[1].目前對于染料廢水的處理仍以生化法為主,化學或物理法為輔.傳統(tǒng)治理法由于成本高、二次污染等缺點而受到限制.近年來,低溫等離子體技術用于難降解有機污染物的處理因其具有高效、無選擇性、無二次污染等特點深受關注[2,3].

本文采用多針-水電極直流電暈放電對染料廢水進行脫色,考察了放電電壓、廢水初始 pH值和初始濃度對脫色的影響,并結合液相活性物質 (O3和·OH)濃度的變化對脫色機理進行了探討,為直流電暈放電技術在工業(yè)廢水處理中的應用提供參考.

1 實驗部分

實驗裝置如圖1所示,電源為負直流高壓電源,輸出電壓 0—20kV可調.放電反應器由有機玻璃制成,尺寸為 800mm×400mm×110mm.放電電極由 3#鍍鎳大頭針呈等間距矩形分布在鋪有若干層鋁箔紙的聚乙烯板上構成.針尖間距 10—40mm可調,針電極位于氣相中,放電間距 5—25mm連續(xù)可調.廢水作接地電極,氣體(空氣)從針水間隙穿過,從出氣口排出.

實驗室模擬染料廢水.染料廢水初始 pH值 5.35、電導率 50μS·cm-1、水層厚度 6mm、氣體流量 2 L·min-1、針尖間距 20mm、放電間距 14mm、針數(shù) 299,廢水初始濃度 40.2mg·l-1.采用0.1mol·l-1HCl或 NaOH溶液調節(jié)染料廢水 pH值.

實驗以活性艷藍 KN-R(RBB)為處理對象,檢測波長 595nm.電壓信號由 Tektronix P6015電壓探頭采集;電流用微安電流計測量;溶液電導率采用 Hanna EC215型電導率儀測定;廢水 pH值采用Orion828型 pH計測定;液相O3濃度采用靛藍二磺酸鈉分光光度法檢測[4];液相·OH采用溴酚藍分光光度法測定[5].

2 結果與討論

2.1 放電電壓的影響

圖2為放電電壓對 RBB脫色效果的影響.增大電壓有利于 RBB脫色,RBB脫色率從電壓 8.0kV時的 69.4%提高到電壓 11.2kV時的 90.7%(處理 60min).因為電壓增大,電極間電場強度增強,高能電子數(shù)量增加,從而產生更多的自由基和臭氧等活性物種[6].

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup

2.2 廢水初始 pH值的影響

溶液初始 pH值對 RBB脫色率的影響如圖3所示.RBB在酸性環(huán)境脫色效果最佳,pH值為 2.37時,脫色率達到 87.8%(處理 60min);在堿性環(huán)境下次之,pH值為 10.8時脫色率可達 85.2%;而在中性下最差,pH值為 7.02時脫色率僅為 40.7%.可見,廢水初始 pH值對脫色影響顯著.

2.3 廢水初始濃度的影響

圖4為 RBB脫色率與廢水初始濃度 C0的關系.當其它條件恒定時,C0增大,脫色率降低,經過60min處理后,RBB脫色率從 C0為 28.0mg·l-1時的 91.7%下降到 C0為 108.6mg·l-1時的 81.1%.這可能因為溶液中有機物的量超過了體系產生的自由基的數(shù)目,而使體系中 RBB脫色率下降[7].

圖3 廢水初始 pH值對 RBB脫色率的影響Fig.3 Effect of initial pH on RBB decoloration

圖4 廢水初始濃度對 RBB脫色率的影響Fig.4 Effect of initial concentration on RBB decoloration

2.4 RBB脫色機理

圖5為不同放電電壓下液相·OH和液相 O3濃度隨放電時間的變化關系,其中,對于液相·OH濃度的測定,采用溴酚藍溶液代替 RBB染料廢水;對于液相 O3濃度的測定,RBB染料廢水初始 pH值為 5.35,其它條件保持不變.從圖5中可看出,放電電壓越大,液相·OH和 O3濃度越高.放電60min后,液相 O3濃度從電壓 8.0kV時的 1.5mg·l-1提高到電壓 11.2kV時的 2.3mg·l-1,相應的·OH濃度從 0.0032mmol·l-1增大到 0.0051mmol·l-1.液相·OH和 O3濃度隨放電電壓的變化趨勢與 RBB脫色率隨放電電壓的變化一致.

圖6為液相 O3濃度與廢水初始 pH值的關系,圖6可見,酸性條件下液相 O3濃度較大,放電60min后達 5.44mg·l-1(pH=2.37);堿性次之,60min后達 3.78 mg·l-1(pH=10.8);而中性條件下最小,60min后僅為 2.15mg·l-1(pH=7.02).這與溶液初始 pH值對 RBB脫色率的影響一致.

在酸性條件下,O3不易分解,可快速與 RBB反應使之脫色;在中性條件下,電子轟擊中性溶液時產生的各種自由基的產率要遠遠小于酸性與堿性溶液[8],所以中性時 RBB脫色效果差;堿性條件下,OH-濃度高,會催化 O3部分分解產生·OH,·OH的氧化還原電位較大,有利于 RBB的脫色.

因此,綜合放電電壓、廢水初始 pH值對 RBB脫色的影響,以及其對液相·OH和 O3濃度的影響,可以推斷,·OH和 O3是促使 RBB脫色的主要因素.

圖5 不同電壓下液相·OH和 O3濃度隨放電時間的變化Fig.5 Changes of concentrations of·OH and O3in aqueous with discharge time under different discharge voltages

圖6 廢水初始 pH值與液相 O3濃度的關系Fig.6 Relationship of initial pH ofwas twater and O3concentration in aqueous

3 結論

采用多針-水電極直流電暈放電可以使 RBB染料廢水脫色.在放電電壓 11.2kV、廢水初始濃度40.2 mg·l-1的條件下,60min后 RBB脫色率可達 90.7%.放電電壓、廢水初始 pH值和初始濃度對RBB脫色影響顯著.其中,放電電壓和廢水初始 pH值通過影響液相活性物質 (·OH和 O3)的濃度,進而影響 RBB脫色.O3和·OH是促使 RBB脫色的主要因素.

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RESEARCH ON DECOLORATI ON OFWASTEWATER BY DC CORONA D ISCHARGE USING M ULTI-NEEDLE-TO-WATER ELECTRODE SYSTEM

WANG Tie-cheng1LU Na1L I Jie1,2WU Yan1,2
(1 Institute of Electrostatics and Special Power,Dalian University of Technology,Dalian,116024,China;2 KeyLaboratory of Industrial Ecology and Environmental Engineering,Ministry of Education,Dalian University of Technology,Dalian,116024,China)

The decoloration of Reactive Brilliant Blue KN-R (RBB)using a multi-needle-to-water DC corona discharge system was investigated.The effect of applied voltage,initial concentration and initial pH on RBB decoloration was studied.The mechanis m of decoloration was discussed by investigating the changes ofO3and·OH quantities in aqueous.The results show that multi-needle-to-water DC corona discharge could decolor RBB efficiently.O3and·OH were the main factors to decolor RBB.

multi-needle-to-water electrode,DC corona discharge,dye wastewater,decoloration.

2009年5月9收稿.

＊高等學校博士學科點專項科研基金資助 (20070141004).＊＊通訊聯(lián)系人,E-mail:lijie@dlut.edu.cn