王鐵成 魯 娜 李 杰,2＊＊ 吳 彥,2

(1 大連理工大學(xué)靜電與特種電源研究所,大連,116024;2 大連理工大學(xué)工業(yè)生態(tài)與環(huán)境工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(xué)靜電與特種電源研究所,大連,116024;2 大連理工大學(xué)工業(yè)生態(tài)與環(huán)境工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,大連,116024)

采用多針-水電極反應(yīng)器,研究了直流電暈放電對(duì)活性艷藍(lán) 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(duì)活性艷藍(lán)脫色的影響,通過對(duì)液相活性物質(zhì) (O3和·OH)濃度的考察探討了脫色機(jī)理.結(jié)果表明,多針-水電極直流電暈放電對(duì)活性艷藍(lán)脫色效果明顯;放電電壓、溶液初始 pH值對(duì)活性艷藍(lán)脫色效果的影響與其對(duì)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(duì)水環(huán)境危害嚴(yán)重等特點(diǎn)[1].目前對(duì)于染料廢水的處理仍以生化法為主,化學(xué)或物理法為輔.傳統(tǒng)治理法由于成本高、二次污染等缺點(diǎn)而受到限制.近年來,低溫等離子體技術(shù)用于難降解有機(jī)污染物的處理因其具有高效、無選擇性、無二次污染等特點(diǎn)深受關(guān)注[2,3].

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

1 實(shí)驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示,電源為負(fù)直流高壓電源,輸出電壓 0—20kV可調(diào).放電反應(yīng)器由有機(jī)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(gòu)成.針尖間距 10—40mm可調(diào),針電極位于氣相中,放電間距 5—25mm連續(xù)可調(diào).廢水作接地電極,氣體(空氣)從針?biāo)g隙穿過,從出氣口排出.

實(shí)驗(yàn)室模擬染料廢水.染料廢水初始 pH值 5.35、電導(dǎo)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(diào)節(jié)染料廢水 pH值.

實(shí)驗(yàn)以活性艷藍(lán) KN-R(RBB)為處理對(duì)象,檢測波長 595nm.電壓信號(hào)由 Tektronix P6015電壓探頭采集;電流用微安電流計(jì)測量;溶液電導(dǎo)率采用 Hanna EC215型電導(dǎo)率儀測定;廢水 pH值采用Orion828型 pH計(jì)測定;液相O3濃度采用靛藍(lán)二磺酸鈉分光光度法檢測[4];液相·OH采用溴酚藍(lán)分光光度法測定[5].

2 結(jié)果與討論

2.1 放電電壓的影響

圖2為放電電壓對(duì) 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(shí)的 69.4%提高到電壓 11.2kV時(shí)的 90.7%(處理 60min).因?yàn)殡妷涸龃?電極間電場強(qiáng)度增強(qiáng),高能電子數(shù)量增加,從而產(chǎn)生更多的自由基和臭氧等活性物種[6].

圖1 實(shí)驗(yàn)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(duì) 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(shí),脫色率達(dá)到 87.8%(處理 60min);在堿性環(huán)境下次之,pH值為 10.8時(shí)脫色率可達(dá) 85.2%;而在中性下最差,pH值為 7.02時(shí)脫色率僅為 40.7%.可見,廢水初始 pH值對(duì)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(guān)系.當(dāng)其它條件恒定時(shí),C0增大,脫色率降低,經(jīng)過60min處理后,RBB脫色率從 C0為 28.0mg·l-1時(shí)的 91.7%下降到 C0為 108.6mg·l-1時(shí)的 81.1%.這可能因?yàn)槿芤褐杏袡C(jī)物的量超過了體系產(chǎn)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(duì) 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(duì) RBB脫色率的影響Fig.4 Effect of initial concentration on RBB decoloration

2.4 RBB脫色機(jī)理

圖5為不同放電電壓下液相·OH和液相 O3濃度隨放電時(shí)間的變化關(guān)系,其中,對(duì)于液相·OH濃度的測定,采用溴酚藍(lán)溶液代替 RBB染料廢水;對(duì)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(shí)的 1.5mg·l-1提高到電壓 11.2kV時(shí)的 2.3mg·l-1,相應(yīng)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(guān)系,圖6可見,酸性條件下液相 O3濃度較大,放電60min后達(dá) 5.44mg·l-1(pH=2.37);堿性次之,60min后達(dá) 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(duì) 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(yīng)使之脫色;在中性條件下,電子轟擊中性溶液時(shí)產(chǎn)生的各種自由基的產(chǎn)率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于酸性與堿性溶液[8],所以中性時(shí) RBB脫色效果差;堿性條件下,OH-濃度高,會(huì)催化 O3部分分解產(chǎn)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(duì) RBB脫色的影響,以及其對(duì)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(shí)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(guān)系Fig.6 Relationship of initial pH ofwas twater and O3concentration in aqueous

3 結(jié)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(dá) 90.7%.放電電壓、廢水初始 pH值和初始濃度對(duì)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(zhì) (·OH和 O3)的濃度,進(jìn)而影響 RBB脫色.O3和·OH是促使 RBB脫色的主要因素.

[1] Sugiarto A T,Takayuki O,Masayuki S,Advanced Oxidation Processes Using Pulsed Streamer Corona Discharge in Water[J].Thin Solid Films,2002,407(1—2) ∶174—178

[2] 李勁,王萬林,李勝利等,脈沖電暈放電下焦化廢水脫硫的研究 [J].環(huán)境科學(xué),2004,25(2)∶77—80

[3] Sugiarto A T,TakayukiO,Masayuki S,Oxidative Decoloration ofDyes by Pulsed Discharge Plasma inWater.Journal of Electrostatics,2003,58(1—2) ∶135—145

[4] 張全忠,吳潘,梁斌,液相中臭氧濃度的檢測 .工業(yè)水處理,2001,21(4)∶30—32

[5] 董麗敏,氣-水兩相流體中電暈放電脫硫脫硝機(jī)理的研究 [D].哈爾濱:哈爾濱理工大學(xué),2005

[6] Suarasan I,Ghizdavu L,Budua S et al.,Experimental Characterization ofMult-Point Corona Discharge Devices forDirectOzonization of Liquids.Journal of Electrostatics,2002,54(2) ∶207—214

[7] 王慧娟,李杰,全燮,高壓脈沖放電等離子體處理酸性橙Ⅱ染料廢水的實(shí)驗(yàn)研究 .北京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2005,25(增)∶223—226

[8] 李勝利,李勁,用高壓脈沖放電等離子體處理印染廢水的研究 .中國環(huán)境科學(xué),1996,16(1)∶73—76

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(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助 (20070141004).＊＊通訊聯(lián)系人,E-mail:lijie@dlut.edu.cn