基于FTO導(dǎo)電玻璃的堿性品紅脫色研究

陳瑞榕，陳毅挺，林鑫濤，葉銘瓊，陸秀麗，田文锠

(閩江學(xué)院 海洋學(xué)院，福建 福州 350108)

堿性品紅(結(jié)構(gòu)式如圖1所示)為三苯甲烷型染料，其結(jié)構(gòu)中的苯環(huán)對(duì)生物降解有著抑制作用，直接進(jìn)入水體會(huì)產(chǎn)生大面積的染色. 目前堿性品紅的降解脫色方法主要有吸附法[1-3]、超聲法[4]、光催化法[5-7]、光電催化法[8]、芬頓法[9]、微波法[10-11]、生物降解法[12]等. 而電化學(xué)法具有使用設(shè)備較為簡(jiǎn)單、操作條件容易控制、處理有機(jī)染料廢水的氧化能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，在處理印染廢水、電鍍廢水等應(yīng)用領(lǐng)域得到越來(lái)越多的關(guān)注，各種新型電極材料層出不窮[13-15]. 試驗(yàn)以FTO導(dǎo)電玻璃作為陽(yáng)極、石墨電極作為陰極電解模擬堿性品紅廢水，利用電解產(chǎn)生的強(qiáng)氧化性羥基自由基與甲基橙發(fā)生氧化還原反應(yīng)而使堿性品紅脫色.

圖1 堿性品紅結(jié)構(gòu)式Fig. 1 Structural formula of basic fuchsine

1 試驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(UV-2450，日本島津)；數(shù)字穩(wěn)壓穩(wěn)流電源(WS-YL，南京桑力電子設(shè)備廠)；酸度計(jì)(pH 700，新加坡優(yōu)特公司).

堿性品紅購(gòu)自上海阿拉丁生化科技股份有限公司；FTO導(dǎo)電玻璃(DHS-FTO22-8，大連七色光太陽(yáng)能科技開(kāi)發(fā)有限公司)；氯化鈉、硝酸鈉、硫酸鈉購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；氫氧化鈉購(gòu)自上海久億化學(xué)試劑有限公司；鹽酸購(gòu)自西隴化工股份有限公司；無(wú)水乙醇購(gòu)自天津市福晨化學(xué)試劑廠；所用試劑未注明的均為分析純，試驗(yàn)用水為去離子水.

1.2 試驗(yàn)方法

以FTO導(dǎo)電玻璃作為陽(yáng)極，石墨棒為陰極，施加一定電壓電解堿性品紅溶液，通過(guò)檢測(cè)其在544 nm處的吸收值來(lái)確定堿性品紅的脫色率，其脫色率計(jì)算公式[15]為：

(1)

式中：A0為堿性品紅初始吸光度；A1為堿性品紅降解后的吸光度.

2 結(jié)果與討論

2.1 堿性品紅的標(biāo)準(zhǔn)曲線與吸收光譜

考察了堿性品紅溶液在波長(zhǎng)為300～600 nm處的紫外吸收光譜,結(jié)果如圖2所示. 由圖2可見(jiàn)，堿性品紅在544 nm處有一個(gè)明顯的特征峰. 將堿性品紅暴露于自然光下2天，該吸收峰的位置和強(qiáng)度沒(méi)有明顯改變. 通過(guò)電化學(xué)降解，該峰的吸光度明顯下降，所以選擇544 nm為降解前后的監(jiān)測(cè)波長(zhǎng).

圖2 堿性品紅的紫外可見(jiàn)吸收光譜Fig. 2 UV-vis spectra of basic fuchsine

2.2 電解質(zhì)種類(lèi)對(duì)堿性品紅脫色率的影響

配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.035 mol/L 的氯化鈉、硝酸鈉、硫酸鈉的堿性品紅溶液(0.03 g/L，pH 7.0)，在電壓為9 V下進(jìn)行電化學(xué)降解20 min，測(cè)定其脫色率，結(jié)果如圖3所示.

圖3 不同電解質(zhì)對(duì)堿性品紅脫色率的影響(1) 氯化鈉, (2) 硝酸鈉, (3) 硫酸鈉Fig. 3 Effect of different electrolytes on decolorization rate of basic fuchsine

由圖3可見(jiàn)，當(dāng)電解質(zhì)為氯化鈉時(shí)，電化學(xué)降解堿性品紅的效果明顯好于硫酸鈉，降解速度明顯好于硝酸鈉. 可能原因是以NaCl為電解質(zhì)時(shí)，電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)生成氧化性很強(qiáng)的活性氯，從而對(duì)反應(yīng)有促進(jìn)作用[16]. 因此本文以氯化鈉為堿性品紅電化學(xué)降解的電解質(zhì).

2.3 電解質(zhì)濃度對(duì)堿性品紅脫色率的影響

配制質(zhì)量濃度分別為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5 g/L NaCl的堿性品紅溶液液(0.03 g/L，pH 7.0)，以9 V為電解電壓對(duì)堿性品紅溶液進(jìn)行電化學(xué)降解，結(jié)果如圖4所示.

圖4 NaCl濃度對(duì)堿性品紅脫色率的影響Fig. 4 Effect of concentration of NaCl on decolorization rate of basic fuchsine

由圖4可見(jiàn)，當(dāng)電解質(zhì)的溶度不斷升高時(shí)，堿性品紅溶液的脫色率隨著溶液的溶度先升高后降低，其轉(zhuǎn)折點(diǎn)是溶液中氯化鈉溶度為2.0 g/L處. 經(jīng)探究得出以下幾點(diǎn)原因：可能是隨著氯化鈉濃度的升高，離子濃度隨之增高，提高了溶液中的導(dǎo)電性，從而使電解效果變好. 而當(dāng)氯化鈉溶度過(guò)高時(shí)，過(guò)剩的氯離子會(huì)抑制其電化學(xué)降解堿性品紅過(guò)程[17]，因?yàn)檫^(guò)量的氯離子會(huì)吸附在電極表面，從而使堿性品紅與電極表面的接觸面變少，導(dǎo)致堿性品紅不能很好的與電極表面接觸，抑制了其電化學(xué)反應(yīng)，所以降解效果變差. 結(jié)合以上原因，我們得出電解質(zhì)氯化鈉的最佳溶度為2.0 g/L.

2.4 pH值對(duì)堿性品紅脫色率的影響

試驗(yàn)結(jié)果表明，環(huán)境的酸堿度對(duì)堿性品紅的脫色率影響不大，電解20 min后，不同酸度下的脫色率均可達(dá)到90%以上，因此確定溶液的酸度控制為7.0.

2.5 外加電解電壓對(duì)堿性品紅溶液降解的影響

配置質(zhì)量濃度為2.0 g/L的氯化鈉的堿性品紅溶液(0.03 g/L，pH=7)，在外加電壓為1、3、6、9、12 V下分別降解20 min，觀察其堿性品紅的脫色率情況，其降解效果如圖5所示.

圖5 電解電壓對(duì)堿性品紅脫色率的影響Fig. 5 Effect of electrolysis voltage on decolorization rate of basic fuchsine

由圖5可見(jiàn)，當(dāng)電壓越來(lái)越大時(shí)，堿性品紅的電化學(xué)降解效果也更好，這是因?yàn)樵谄鹗茧A段氯離子濃度比較大，其對(duì)電化學(xué)降解過(guò)程有著很大的負(fù)面影響. 隨著電解電壓的增大，可以將氯離子轉(zhuǎn)化，從而減小對(duì)降解過(guò)程的影響. 但在外加電壓超過(guò)9 V后，其堿性品紅的降解效果變化不大，甚至降解效果開(kāi)始變差，并出現(xiàn)由于外加電壓過(guò)大，超過(guò)FTO導(dǎo)電玻璃所能承受的程度，導(dǎo)致FTO導(dǎo)電玻璃腐蝕. 并且相比電壓6 V、電解20 min，電壓9 V、電解10 min就能達(dá)到同樣效果，依據(jù)電解電壓越高其電解速率越快的原理，本試驗(yàn)選擇的最佳外加電壓為9 V.

2.6 試驗(yàn)的重復(fù)性

在上述所得的最佳條件下，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn). 即在外加電壓為9 V的條件下，電解含有氯化鈉(2.0 g/L)的堿性品紅溶液(0.03 g/L，pH=7)20 min，并重復(fù)5次，發(fā)現(xiàn)5組數(shù)據(jù)的脫色率都能達(dá)到92%以上，證明基于FTO導(dǎo)電玻璃的堿性品紅染料脫色處理工藝具有一定的可行性和應(yīng)用性.

3 結(jié)論

考察了堿性品紅濃度、外加電解電壓、支持電解質(zhì)、電解質(zhì)濃度、堿性品紅溶液濃度、環(huán)境pH等因素對(duì)堿性品紅脫色率的影響. 試驗(yàn)結(jié)果表明，以FTO 導(dǎo)電玻璃為陽(yáng)極，使用2.0 g/L的氯化鈉作為電解質(zhì)，環(huán)境pH值控制為7.0，在電解電壓為9 V條件下電化學(xué)降解20 min，堿性品紅脫色率可達(dá)到92%以上.