高壓脈沖放電等離子體處理活性紅X－3B染料廢水

許 開，彭會(huì)清，董冰巖

(1.武漢理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢430070;2.江西理工大學(xué) 應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，江西 贛州 341000)

高壓脈沖放電等離子體處理活性紅X－3B染料廢水

許 開1，2，彭會(huì)清1，董冰巖2

(1.武漢理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢430070;2.江西理工大學(xué) 應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，江西 贛州 341000)

采用高壓脈沖放電等離子體技術(shù)對(duì)活性紅X－3B染料廢水進(jìn)行處理，考察了廢水電導(dǎo)率、脈沖電壓、脈沖頻率、針板間距以及曝氣量對(duì)處理效果的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)廢水電導(dǎo)率為200 μS/cm、脈沖電壓為34 kV、脈沖頻率為60 Hz、針板間距為15 mm、曝氣量為12 L/h、處理時(shí)間為60 min時(shí)，活性紅X－3B染料廢水脫色率能達(dá)到 98.6%。

高壓脈沖;等離子體;染料;活性紅X－3B;脫色;廢水處理

印染廢水是工業(yè)生產(chǎn)發(fā)生量最大、危害嚴(yán)重且難以治理的三大廢水(印染、造紙、高濃度有機(jī)廢水)之一。傳統(tǒng)的處理方法存在一定的缺陷，人們開始研究高效、低能耗、無二次污染的高級(jí)氧化技術(shù)。近些年來高級(jí)氧化技術(shù)用于廢水處理的研究得到迅猛發(fā)展。高壓脈沖等離子體技術(shù)作為新的高級(jí)氧化技術(shù)是20世紀(jì)80年代開始形成的難生物降解有毒污染物的處理技術(shù)。Clements等［1］采用高壓脈沖等離子體高級(jí)氧化技術(shù)處理廢水，高壓脈沖產(chǎn)生的高能電子與H2O、O2等分子碰撞，發(fā)生激發(fā)、裂解或電離，生成·OH、O·等強(qiáng)氧化性自由基和 O3、H2O2

［1－2］等強(qiáng)氧化性的活性物質(zhì)，這些自由基和活性物質(zhì)可以分解污染物質(zhì)，并且此過程是不可逆的，采用高壓脈沖技術(shù)處理有機(jī)廢水的報(bào)道很多［3－10］。偶氮染料絕大部分是芳香胺經(jīng)重氮化后與酚類、芳香胺類及具有活性的亞甲基化合物耦合而成，并且被廣泛應(yīng)用于紡織、造紙、制藥等工業(yè)。大多數(shù)偶氮染料有三致(致癌、致突變、致畸)作用，而且這些產(chǎn)品正朝著抗光解、抗氧化、抗生物降解的方向發(fā)展，從而使染料廢水的處理難度加大［11］.

本工作采用針－板式高壓脈沖放電等離子體技術(shù)處理活性紅X－3B染料的模擬廢水，考察了廢水的電導(dǎo)率、脈沖電壓、脈沖頻率、針板間距以及曝氣量對(duì)處理效果的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑和儀器

KCl:化學(xué)純;活性紅 X－3B染料:上海染化八廠。

721型分光光度計(jì):青島路博偉業(yè)環(huán)保公司;PT－A60型光電分析電子天平:常州亨托電子衡器有限公司;PHS－25型pH計(jì):上海天普分析儀器有限公司;LZB10型玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì):常州市瑞明儀表廠;ACO－003型電磁式空氣泵:上海禾汽化工科技有限公司;120型電導(dǎo)率分析儀:北京中西遠(yuǎn)大科技有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)采用的高壓脈沖電源為大連理工大學(xué)靜電與特種電源，主要電氣參數(shù):脈沖為正極性;脈沖寬度小于等于500 nS;脈沖上升前沿小于等于100 nS;脈沖重復(fù)頻率為0～200 Hz。

反應(yīng)器裝置為針－板式［12］，采用有機(jī)玻璃圓筒制成，放電極為醫(yī)用的針電極，板電極為圓形不銹鋼板(接地)?？諝馔ㄟ^空氣泵壓入氣室，從針孔壓入廢水體系中，流量由玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)量。通過玻璃吸管用注射器從容器頂端采樣。

1.3 分析方法

采用分光光度計(jì)在536 nm處測(cè)定廢水的吸光度，計(jì)算廢水脫色率。

2 結(jié)果與討論

2.1 廢水電導(dǎo)率對(duì)廢水脫色率的影響

廢水的電導(dǎo)率通過加入濃度為0.1 mol/L的KCl溶液調(diào)整。當(dāng)脈沖電壓為34 kV、脈沖頻率為60 Hz、針板間距為15 mm、曝氣量為12 L/h時(shí)，廢水電導(dǎo)率對(duì)廢水脫色率的影響見圖1。

由圖1可見，隨著廢水電導(dǎo)率的增加，脫色率減小。Clements等［1］研究認(rèn)為隨著溶液電導(dǎo)率的增加，等離子體的長(zhǎng)度逐步減小。這恰好和脫色率隨著電導(dǎo)率增加而減小的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象相符合。

2.2 脈沖電壓對(duì)廢水脫色率的影響

當(dāng)廢水電導(dǎo)率為 200 μS/cm、脈沖頻率為60 Hz、針板間距為15 mm、曝氣量為12 L/h、反應(yīng)時(shí)間為60 min時(shí)，脈沖電壓對(duì)廢水脫色率的影響見圖2。由圖2可見:隨著脈沖電壓的增加，廢水脫色率增大;當(dāng)脈沖電壓為34 kV時(shí)，廢水脫色率達(dá)到95%以上;脈沖電壓繼續(xù)增加，廢水脫色率增加不明顯。這與用脈沖放電系統(tǒng)能量的計(jì)算公式所得的結(jié)果基本相符［13］。這是因?yàn)殡S著脈沖電壓的增大，反應(yīng)器內(nèi)的能量增大，有利于自由基和活性物質(zhì)產(chǎn)生，但當(dāng)脈沖電壓達(dá)到一定值后，繼續(xù)增大電壓反而降低能量利用率，增大了能量消耗［14］，從而使廢水脫色率提高不明顯。因此本實(shí)驗(yàn)最佳電壓為34 kV。

圖2 脈沖電壓對(duì)廢水脫色率的影響

2.3 脈沖頻率對(duì)廢水脫色率的影響

當(dāng)廢水電導(dǎo)率為 200 μS/cm、脈沖電壓為34 kV、針板間距為15 mm、曝氣量為12 L/h、反應(yīng)時(shí)間為60 min時(shí)，脈沖頻率對(duì)廢水脫色率的影響見圖3。

圖3 脈沖頻率對(duì)廢水脫色率的影響

由圖3可見:當(dāng)脈沖頻率為60 Hz時(shí)，廢水脫色率最大;當(dāng)脈沖頻率繼續(xù)增大時(shí)，廢水脫色率減小。這是由于脈沖頻率過高時(shí)，單次脈沖放電時(shí)間縮短，致使脈沖電源形成電容的能量在短時(shí)間不能迅速釋放，從而能量利用效率有所降低［15］。因此本實(shí)驗(yàn)最佳脈沖頻率為60 Hz。

2.4 針板間距對(duì)廢水脫色率的影響

當(dāng)廢水電導(dǎo)率為 200 μS/cm、脈沖電壓為34 kV、脈沖頻率為60 Hz、曝氣量為12 L/h時(shí)，針板間距對(duì)廢水脫色率的影響見圖4。由圖4可見，針板間距從10 mm增大到15 mm時(shí)，廢水脫色率有明顯的增大，這是因?yàn)獒槹咫姌O間距太小時(shí)，容易發(fā)生溶液被擊穿，使得活性物質(zhì)的濃度大大地降低，能量的利用率也下降，從而導(dǎo)致廢水脫色率的降低;當(dāng)針板間距增大到20 mm時(shí)，廢水脫色率反而減小。針板間距是影響電極之間電場(chǎng)強(qiáng)度的一個(gè)重要參數(shù)，電場(chǎng)強(qiáng)度與電極間距成反比。隨著針板間距的增大，電場(chǎng)強(qiáng)度降低，放電現(xiàn)象減弱，從而高能電子減少，由此碰撞解離生成的等離子體活性物質(zhì)減少，導(dǎo)致廢水脫色率降低。本實(shí)驗(yàn)最佳針板間距為15 mm。

2.5 曝氣量對(duì)廢水脫色率的影響

當(dāng)廢水電導(dǎo)率為 200 μS/cm、脈沖電壓為34 kV、脈沖頻率為60 Hz、針板間距為15 mm、反應(yīng)時(shí)間為60 min時(shí)，曝氣量對(duì)廢水脫色率的影響見圖5。由圖5可見:當(dāng)曝氣量從8 L/h增大12 L/h時(shí)，廢水脫色率增大;當(dāng)曝氣量為12 L/h時(shí)，廢水脫色率達(dá)98.6%，這是因?yàn)殡S著空氣的鼓入，溶液中的O2增加，O2在紫外光線和高能電子的作用下通過一系列的反應(yīng)形成O·和·OH等強(qiáng)氧化性自由基等［15］。這些自由基能降解染料，從而有較好的廢水脫色效果;當(dāng)曝氣量繼續(xù)增大時(shí)，脫色率有下降趨勢(shì)，這是因?yàn)槠貧饬刻髸r(shí)，氣體流速過快，使一些活性物質(zhì)在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間變短，從而造成放電反應(yīng)器中分子態(tài)的活性物質(zhì)與污染物分子間的接觸時(shí)間變短，使這部分活性物質(zhì)的利用率下降，導(dǎo)致處理效果的減弱［12］。本實(shí)驗(yàn)最佳曝氣量為12 L/h。

圖5 曝氣量對(duì)廢水脫色率的影響

3 結(jié)論

采用針－板式高壓脈沖放電等離子體技術(shù)處理含偶氮染料活性紅X－3B的模擬廢水，當(dāng)廢水電導(dǎo)率為200 μS/cm、脈沖電壓為34 kV、脈沖頻率為60 Hz、針板間距為15 mm、曝氣量為12 L/h、處理時(shí)間為60 min時(shí)，廢水脫色率達(dá)98.6%。

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Treatment of Reactive Red X-3B Dye Wastewater by High Voltage Pulse Discharge Plasma

Xu Kai1，2，Peng Huiqing1，Dong Bingyan2

(1.School of Resources and Environmental Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan Hubei 430070，China;
2.School of Application Science，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou Jiangxi 341000，China)

Reactive red X-3B dye wastewater was treated by high voltage pulse discharge plasma technology，and the affecting factors were investigated.The experimental results show that when the wastewater conductivity is 200 μS/cm，the pulse voltage is 34 kV，the pulse frequency is 60 Hz，the needle-plate spacing is 15 mm，the aeration flow is 12 L/h and the treatment time is 60 min，the decoloration rate of the wastewater can reach 98.6%.

high voltage pulse discharge;plasma;dye;reactive red X-3B;decoloration;wastewater treatment

X703.1

A

1006－1878(2011)03－0214－04

2010－11－27;

2011－01－10。

許開(1975—)，男，江西省九江市人，博士生，講師，研究方向?yàn)樗幚砑夹g(shù)。電話0797－8312620，電郵xukai941@163.com。

(編輯 張艷霞)