李江，張翠紅，陳志敏

（太原工業(yè)學(xué)院化學(xué)與化工系，山西太原030008）

微波誘導(dǎo)H2O2降解甲基橙溶液的研究

李江，張翠紅，陳志敏

（太原工業(yè)學(xué)院化學(xué)與化工系，山西太原030008）

本文研究了微波誘導(dǎo)H2O2降解甲基橙的效果。主要考察了甲基橙初始濃度、溶液pH值、雙氧水的投加量、微波輻射時(shí)間等因素對(duì)甲基橙降解率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：甲基橙濃度為5mg/ L，pH值為4，0.132mol/L的雙氧水12mL，微波輻射時(shí)間為13min時(shí)，甲基橙的降解率可達(dá)100%。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)微波或雙氧水單獨(dú)作用于甲基橙溶液，基本沒(méi)有降解作用。

微波輻射；H2O2；甲基橙；降解率

進(jìn)十幾年來(lái)，微波技術(shù)在一些有機(jī)物降解方面得到廣泛的研究和應(yīng)用［1～3］。微波是頻率大約在300MHz～300GHz，即波長(zhǎng)在1mm到100cm范圍內(nèi)的超高頻電磁波，目前，微波化學(xué)所采用的常用頻率為2450MHz［4］。微波能使極性分子高速旋轉(zhuǎn)碰撞而產(chǎn)生熱效應(yīng)，改變體系的熱力學(xué)函數(shù)，降低反應(yīng)的活化能和分子的化學(xué)鍵強(qiáng)度，同時(shí)微波還具有非熱效應(yīng)即在微波場(chǎng)中劇烈的極性分子震蕩使化學(xué)鍵斷裂［5］。

微波/H2O2組合系統(tǒng)是在過(guò)氧化氫和微波技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的高效氧化技術(shù)，其原理是H2O2在微波作用下產(chǎn)生氧化性極強(qiáng)的羥基自由基（·OH）與有機(jī)物質(zhì)的作用，使有機(jī)物降解并最終完全礦化。此方法具有氧化徹底、反應(yīng)速度快、處理效率高、無(wú)公害等巨大的潛力及獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)［6，7］，但這方面的研究報(bào)道較少。

甲基橙是偶氮結(jié)構(gòu)的有機(jī)染料，是染料廢水常見的組分之一，本文以H2O2為基本原料，輔助微波輻射，研究其對(duì)甲基橙的降解性能，為染料廢水的治理提供基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)研究。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)儀器和材料

微電腦微波化學(xué)反應(yīng)器（天津科諾儀器設(shè)備有限公司W(wǎng)BFY-205），分光光度計(jì)（上海棱光技術(shù)有限公司，722s），恒溫磁力攪拌器（常州國(guó)華電器有限公司，85-2）。

雙氧水（30%，分析純，天津政成化學(xué)制品有限公司），濃硫酸（優(yōu)質(zhì)純，洛陽(yáng)市化學(xué)試劑廠），甲基橙（分析純，北京化工廠）。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

將加入H2O2水溶液的甲基橙溶液置于圓底燒瓶中，接回流裝置，微波輻射，定時(shí)移取少量溶液冷卻至室溫，測(cè)定溶液的吸光度值，計(jì)算甲基橙的降解率。甲基橙的降解率計(jì)算公式：U=（1-A0/A）×100%；式中A0-降解之前溶液吸光度，A-降解后溶液吸光度。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1溶液pH值對(duì)甲基橙降解率的影響

100mL 5mg/L的甲基橙溶液中加入10mL0.132mol/L的H2O2，用0.1mol/L硫酸調(diào)節(jié)溶液pH值，800w微波輻射13min，降解結(jié)果如圖1。

圖1　溶液pH值對(duì)降解率的影響

由圖1可知，改變甲基橙溶液的pH值，降解率會(huì)隨之變化。未加硫酸調(diào)節(jié)即甲基橙的水溶液的pH=6，13min后降解率只有6%，隨著pH的降低，降解率有所提高，當(dāng)溶液pH=4的時(shí)候，甲基橙的降解率最大，可達(dá)到87.2%。隨后隨著pH的繼續(xù)降低，降解率反而有所降低。甲基橙溶液具有偶氮染料的醌式結(jié)構(gòu)，溶液外觀為橙紅色，微波作用下的降解效果明顯，生色團(tuán)被破壞。pH小于4或大于4降解率都逐漸減小，按照經(jīng)典的反應(yīng)理論，pH值升不利于·OH的產(chǎn)生；當(dāng)pH低于4時(shí)，溶液中H+濃度過(guò)高也會(huì)抑制·OH的生成，以致影響甲基橙的降解率，所以微波和H2O2處理甲基橙溶液的最佳pH值為4。

2.2微波輻照時(shí)間對(duì)降解率的影響

在100mL 5mg/L的pH=4的甲基橙溶液中加入0.132mol/L的H2O210mL，800w微波輻射，甲基橙的降解結(jié)果如圖2。

圖2　微波輻照時(shí)間對(duì)降解率的影響

由圖2可以看出，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)甲基橙的降解率逐漸增加，反應(yīng)13min后降解反應(yīng)達(dá)到平衡，降解率最大達(dá)到87.2%趨于穩(wěn)定。

2.3雙氧水用量對(duì)降解率的影響

100mL 5mg/L的甲基橙溶液中，加入0.132mol/L 的H2O2不同的量，調(diào)節(jié)溶液pH=4，微波輻射13min，降解結(jié)果如圖3。

圖3　H2O2用量對(duì)降解率的影響

H2O2是體系中產(chǎn)生·OH的主體，H2O2的用量將直接影響羥基自由基的生成量，對(duì)氧化效率起決定作用。由圖3可知，隨著H2O2用量的增加，甲基橙的降解不斷增大，當(dāng)H2O2的用量為12mL時(shí)，甲基橙溶液降解率達(dá)到100%。這說(shuō)明在降解過(guò)程中隨H2O2用量加大，·OH的產(chǎn)生的量也隨之增加，甲基橙的降解率也隨之增加；當(dāng)H2O2的用量超過(guò)12mL時(shí)，甲基橙的降解率開始出現(xiàn)下降，這是因?yàn)檫^(guò)量的H2O2與·OH反應(yīng)生成了H2O和O2，消耗了部分·OH，使甲基橙溶液降解率降低。

2.4甲基橙起始濃度對(duì)降解率的影響

100mL不同濃度的pH=4的甲基橙溶液，分別加入0.132mol/L的H2O212mL，微波輻射13min，降解結(jié)果如圖4。

圖4　甲基橙起始濃度對(duì)降解率的影響

由圖4可以看出，隨著甲基橙濃度的增大，降解率逐漸減小。5mg/L的甲基橙溶液降解13min降解率可達(dá)到100%，而20mg/L的甲基橙溶相同時(shí)間降解率為76.6%。因?yàn)椴煌瑵舛鹊募谆热芤褐兴拥腍2O2的量是相同的，甲基橙濃度越大，單位濃度所負(fù)載的H2O2的量就越少，降解率也就越小。

2.5微波/H2O2、單獨(dú)H2O2、單獨(dú)微波輻照三者之間的比較

100mL濃度c=5mg/L的pH=6的甲基橙溶液中，加入0.132mol/L的H2O210mL分別考察了三種工藝條件下降解甲基橙的效果（1）僅加入H2O2（2）僅用微波輻射（3）微波和H2O2共同作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。結(jié)果表明在甲基橙溶液中只加H2O2，甲基橙沒(méi)有任何降解；僅用微波輻射，10min后甲基橙降解率只有2%，隨后降解率基本沒(méi)有變化；而采用微波和H2O2共同作用，甲基橙降解率最大可達(dá)到42%。分析原因可能是由于由甲基橙的發(fā)色基團(tuán)是偶氮基，單獨(dú)使用微波輻射所產(chǎn)生的能量不足以破壞偶氮類染料的偶氮鍵，所以單獨(dú)微波輻射對(duì)甲基橙基本沒(méi)有降解作用；單獨(dú)使用H2O2時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生·OH來(lái)氧化偶氮鍵，所以甲基橙也沒(méi)有被降解；當(dāng)微波和H2O2共同作用于甲基橙溶液時(shí)，是微波輻射所產(chǎn)生的能量誘導(dǎo)H2O2產(chǎn)生·OH，·OH的強(qiáng)氧化性使偶氮鍵被氧化，偶氮鍵被打開，甲基橙的發(fā)色基團(tuán)被破壞，所以甲基橙被降解了。

圖5　不同工藝條件對(duì)降解率的影響

3　結(jié)論

3.1微波/H2O2系統(tǒng)氧化降解甲基橙溶液，降解率與H2O2加入量、甲基橙初始濃度、溶液pH值等有關(guān)。甲基橙初始濃度越低，降解率越高；增加H2O2用量可以提高甲基橙降解率，但用量過(guò)大反而會(huì)抑制降解作用；溶液的酸堿性影響甲基橙的降解率，當(dāng)pH= 4時(shí)降解率最大。

3.2單獨(dú)使用微波或單獨(dú)加入H2O2對(duì)甲基橙幾乎無(wú)降解作用，微波/H2O2系統(tǒng)是微波和H2O2共同作用產(chǎn)生強(qiáng)氧化劑·OH，使甲基橙被氧化而發(fā)生了降解。

［1］孫萍，肖波，楊家寬.微波技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用［J］.化工環(huán)保，2001，22（2）：71-74.

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［6］趙德明，金寧人，吳純鑫.微波/過(guò)氧化氫系統(tǒng)催化降解苯酚水溶液［J］.化工學(xué)報(bào)，2007，58（7）：1736-1740.

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Study on the degradation ofm ethylorange by H2O2m icrowave indution

LIJiang，ZHANG Cui-hong，CHEN Zhi-min
（Dept.ofChemistry and ChemicalEngineering，Taiyuan InstituteofTechnology，Taiyuan 030008，China）

In thispaper，methyl orangewas degraded by H2O2microwave induction.Mainimpacting factors of degradation rate were investigated，including the concentration ofmethyl orange，pH ofslotion，dosing quantity of H2O2，microwave radiation time.The resultsshowed thatmethylorange concentration of5mg/L，the pH value of4，0. 132mol/L 12mL ofH2O2，microwave irradiation time for13mins，the degradation rate ofmethylorange could reach 100%.Aslo foundmethyl orange was not degraded by the action ofmicrowave alone，orby the action ofhydrogen peroxide alone.

microwave radiation；H2O2；methylorange；degradation rate

10.3969/j.issn.1008-1267.2015.05.004

TQ03-39

A

1008-1267（2015）05-0012-03

2015-03-31

李江（1968～），女，副教授，主要研究方向染料廢水的處理。