辉光放电等离子体对染料碱性紫16的降解效能与机理研究

来源 :陕西师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:neo1997
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印染工业废水是难处理的有机污染源,具有有机物成分复杂,浓度高,可生化性差及毒性大等特点,是国内外公认难处理的工业废水之一。这类废水的大量排放对环境造成了极其严重的影响。而我国作为纺织印染大国,自改革开放以来染料废水排放引起的环境问题也愈加严重。因此,本文选用新型辉光放电等离子体(Glow Discharge Electrolytic Plasma,GDEP)体系降解典型碱性染料碱性紫16配制的模拟废水,得到了预期的处理效果。主要结论如下:本研究通过对降解时间、电导率、电压、初始染料浓度四种因素进行实验并分析,得到了最佳反应条件:在600V工作电压下,GDEP降解可使200mL、20mg/L的碱性紫16在20 min时脱色率达到97.5%,与此同时染料基本实现褪色;相同降解时间内电压的增大会导致GDEP体系中OH·、H2O2等活性粒子浓度升高从而达到促进降解的作用,再考虑电极的承载能力,最终选择600V作为工作电压;加大染料初始浓度,在同一降解时间下,脱色率减小,整个降解过程遵循一级动力学特征;不断增大电导率(即增加支持电解质浓度),可使碱性紫16在10min时脱色率达到95%,完全褪色时间提前10 min。综上所述最佳反应条件为:工作电压600 V;染料初始浓度<100mg/L;支持电解质浓度为2 g/L。为降低能耗,协同研究GDEP体系中加入Fenton试剂的降解效果:发现非Fenton体系中辉光放电的临界电压VD为450 V,而在Fenton体系中下降至375 V,同时辉光更加明亮强烈。且在同一条件下,降解100mg/L的碱性紫16模拟染料溶液,Fenton体系在60 min时脱色率达到99.4%,而非Fenton体系仅为61.18%。Fenton体系中由于Fe2+对体系产生的H2O2大量消耗继而产生·OH,因此并未检测到有H2O2的生成。而在同一降解时间下测得·OH浓度却要远高于非Fenton体系。同时,Fenton体系中产生的Fe(OH)3和Fe(OH)n絮状物通过结合染料分子阴离子位点及吸附共沉淀作用对降解起到正向促进作用。Fenton体系在一定程度上降低了能耗,为应用提供了更优的方案。O2对体系降解的促进作用:实验采用发射光谱、水杨酸捕获法对GDEP降解体系中产生的·OH进行定性及半定量分析,利用高锰酸钾滴定法对其降解过程中H2O2浓度进行测量。实验结果表明通入O2后,碱性紫16脱色加快。·OH浓度相较于未通入O2体系并无太大区别,但O2的通入却会提高H2O2的含量,而H2O2通过与GDEP产生的UV、O3的协同作用在一定程度上促进了降解的进行。但是投加过量的H2O2(浓度>10 mmol/L)会消耗体系中产生·OH,反而会抑制反应的进行。Cl-对体系降解的促进作用:以KCl为支持电解质对GDEP降解体系起到了促进作用,同一电压下可使碱性紫16在10 min时脱色率达到96.19%,而同浓度Na2SO4体系脱色率仅为34.93%。Na+、K+和SO42-都是稳定离子,它们对体系的影响可以排除,所以我们推测这种促进作用可能是Cl-在GDEP体系中产生了游离氯或含氯自由基引起的。但通过DPD检测方法并未在以600 V为工作电压的GDEP降解体系中检测到游离氯的存在,从而排除了游离氯的影响;在加入含氯自由基清除剂Na2S2O3后,发现降解反应被明显抑制。由此推断KCl的加入在GDEP体系中产生了Cl·与ClO·,而ClO·可以作用于中间产物苯酚的降解,Cl-可以与NH4+直接反应产生NO3-和NO2-,因此推动了整体降解的进行。本文对降解机理及反应路径进行了研究。采用连续流动仪、离子色谱、液质联用仪及气质联用仪对中间产物及其产生的时间节点进行了考察,经过分析推理降解路径如下:碱性紫16经·OH攻击最先降解为类吲哚结构和N,N-二乙基-4-甲基苯胺,随后都转化为苯酚。苯酚再经过羟基化、开环等化学行为产生丁二酸、乳酸、甲酸及醋酸四种小分子酸。与此同时也检测到体系pH先减小后增大,电导率也不断增大,与推断路径中小分子酸增加,可电离物质增多的结果相呼应。而脱去的氨基大部分以NH4+形式存在,并在Cl·与ClO·的作用下部分向NO3-、NO2-和N2形式转变。碱性紫16在180 min时TOC去除率可达59.16%,这部分最终矿化为CO2和H2O。在整个降解过程中·OH和ClO·起到了关键性的作用。
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