超聲波/鐵炭微電解協同降解酸性紅B

袁河清

(長沙環境保護職業技術學院,湖南長沙 410004)

超聲波/鐵炭微電解協同降解酸性紅B

袁河清

(長沙環境保護職業技術學院,湖南長沙 410004)

以偶氮染料酸性紅B為對象,考察超聲與鐵炭微電解降解體系的協同效應。結果表明,降解過程二者間存在顯著協同作用(E=11.63);單因子實驗發現當溶液初始pH值4～9時,酸性紅B去除率隨pH值增加而減小;鐵炭體積比為2∶1,超聲功率小于200 W時,降解率達到最大。溫度對降解率影響不大。

超聲波;微電解;酸性紅B;協同效應

1 實驗材料及設備

鐵屑(片狀鑄鐵,L×W約5 mm×5 mm,取于某機械廠切削廢料,用前將其用10%NaOH浸泡10 min,自來水沖洗干凈,再用 5%H2SO4清洗20 min,以除污、活化);柱狀活性炭(Φ×L約3 mm ×5 mm,市售,用前將其置于200 mg/L酸性紅B溶液中浸泡24 h,烘干待用,以消除吸附干擾。

pH計(868,美國熱電);超聲波反應槽(KQ-250E,昆山市超聲儀器公司);紫外可見分光光度計(UV-4802H,尤尼柯公司)。

2 實驗結果與討論

2.1 各體系降解酸性紅B的影響因素研究

2.1.1 初始pH值對酸性紅B降解的影響

各取100 mL酸性紅B溶液(100 mg/L)置于250 mL反應瓶中,分別調節初始pH值至3、4、5、7、9,再加活性炭(2.4 g)和鑄鐵屑(7.2 g),將反應瓶置于超聲反應槽中,控制反應溫度25℃,US功率250 W,同時設定空白對照,適時取樣分析酸性紅B的去除率,US、FCME單獨作用下的酸性紅B的去除率如圖1所示,US/FCME協同作用下的酸性紅B的去除率如圖2所示。

圖1 US、FCME單獨作用下的酸性紅B去除率

由圖1可知,實驗范圍內,pH=4時去除率達到最高,US單獨作用2 h后為4.79%,FCME單獨作用下則為72.72%。而US/FCME協同作用下(圖2),30 min后去除率提高趨緩,pH=4,酸性紅B的去除率達到95%以上。兩圖對比可知,US/FCME協同體系對酸性紅B的去除率遠高于FCME、US單獨作用效果之和,說明二者在酸性紅B的降解中存在協同作用。

圖2 US/FCME協同作用下的酸性紅B去除率

因酸性條件可加大微電池電位差,促進電極反應速度,有利于鐵炭原電池反應[8],降低pH值可使水溶性的新生[H+]和[Fe2+]含量較高,更重要的是陰極產生的大量中間態活性氫[H]具有強還原作用,李輝[9]等證實[H]能改變廢水中許多有機物的結構和特性,具有使有機物發生斷鏈、開環等作用。

同時因pH可影響酸性紅B在水中的分布形態,導致不同pH條件下酸性紅B的降解效率不同[3]。pH較小時酸性紅B主要以分子形式存在,接近空化泡氣液界面的可蒸發進入泡內,其既可在空化泡內直接熱解,又可與液相中·OH發生氧化反應。當溶液的pH較大時(大于酸性紅B的平衡常數),酸性紅B發生電離,主要以離子形式存在于溶液中,其僅能在液相中同·OH發生氧化反應,降解效果較低。

對圖1、圖2用擬一級反應動力學方程擬合,得到不同pH值條件下酸性紅B的降解動力學常數(列于表1),考察范圍初始pH=4時反應速率常數最大。

西方藝術人類學名家思想的研究，可以使我們系統地了解這些西方藝術人類學大師的學術歷程、思想淵源、研究方法和民族志案例，更為深入地與他們進行思想上的交流與對話，以此反觀我們的研究，對當下中國藝術人類學的研究具有一定的參考價值和借鑒意義。

表1 不同pH值條件下的反應動力學常數k

2.1.2 鐵炭比對酸性紅B降解的影響

酸性紅B溶液初始濃度100 mg/L,初始pH= 4,US功率250 W,25℃條件下,考察鐵炭比對降解效果的影響(如圖3所示)。由圖3可見,酸性紅B去除率受鐵炭比影響顯著,鐵炭比2∶1時FCME和US/FCME去除率較優,反應2 h后去除率分別為70.20%、98.73%,US存在可強化去除率。對圖3數據采用擬一級反應動力學方程擬合,得到不同鐵炭比下酸性紅B的降解動力學常數(列于表2)。

圖3 鐵炭體積比對去除率的影響

表2 不同鐵炭體積比條件下的反應動力學常數

2.1.3 US功率對酸性紅B降解的影響

酸性紅B溶液(濃度100 mg/L)在初始pH=4,鐵炭比2∶1,25℃條件下,考察US功率對降解效果的影響(如圖4所示),可見超聲波功率為200 W時US/FCME體系的降解效果較好,功率的增大和減小都使去除率略有下降。

圖4 超聲功率對去除率的影響

2.1.4 反應溫度對酸性紅B降解的影響

在酸性紅B溶液(100 mg/L)初始pH=4,鐵炭比2∶1,US功率200 W條件下,考察溫度對降解效果的影響(如圖5所示)。可見,溫度上升,酸性紅B去除率略有升高。對于一般的化學反應,反應溫度升高,反應體系中分子平均動能增高,反應速率加快。對圖5數據采用擬一級反應動力學方程擬合,得到相應的反應動力學常數(列于表3)。

圖5 溫度對去除率的影響

表3 不同溫度下的反應動力學常數

2.2 US與FCME的協同作用分析

酸性紅B溶液(100 mg/L)在初始pH=4,鐵炭比2∶1,US功率200 W的條件下,分別采用US、FCME及US/FCME協同體系降解酸性紅B,得到降解曲線(如圖6所示)。由圖6可知,單獨采用US和FCME工藝,酸性紅B的降解率隨時間雖有增加,但降解率很小,經 2 h反應,降解率分別只有4.79%和68.72%,而在US/FCME協同系統中,酸性紅B的降解率明顯提高,反應2 h,降解率達到了99.54%。US/FCME的降解率高出 FCME與US的降解率之和,說明二者協同效應明顯,US空化效應[10]可產生的高溫(約5 000 K)、高壓(約5×107Pa)的空化泡,在酸性紅B體系中,空化泡崩滅時的強大的流體力學剪切力,不僅會使酸性紅B分子主鍵上的炭鍵產生斷裂,產生自由基引發各種反應,同時US的熱效應(聲波轉化而成)以及對顆粒表面的沖刷效應對有機物的去除及FCME的有效運行也不容忽視。

以表觀一級反應動力學方程擬合酸性紅B在三種工藝中的降解過程,擬合的表觀一級反應動力學常數k列于表4。表4中,kUS、kFCME、kUS/FCME分別表示酸性紅B在US,FCME和US/FCME三種工藝中的降解速率常數k。由表4可知,在US/FCME和FCME條件下所擬合的速率常數相關系數較高,表明酸性紅B在這兩種工藝下的降解反應符合表觀一級動力學,其協同因子E=kUS/FCME/(kUS+kFCME) =11.63。

圖6 不同體系下酸性紅B的降解效果

表4 三種工藝下酸性紅B的降解速率常數

3 結 論

以酸性紅B為對象,考察超聲與鐵炭微電解降解體系的協同效應。結果表明,降解過程二者間存在顯著協同作用(E=11.63);單因子實驗發現當溶液初始pH值4～9時,酸性紅B去除率隨pH值增加而減小;鐵炭體積比為2∶1,超聲功率小于200 W時,降解率達到最大,溫度對降解率影響不大。

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Synergetic Degradation of Acid Red B by Ultrasound/ Iron-Carbon Micro Electrolysis

YUAN He-qing
(Changsha Environmengtal Protection College,Changsha4100014,China)

The synergetic effect of ultrasound(US)/iron-carbon micro electrolysis(FCME)system was investigated on the case of degradation of Acid Red B.The research results indicated that a significant synergistic effect existed between US and FCME(E=11.63)in the degradation process.The single factor experiments were conducted and the related results showed the removal rate of Acid Red B was inverse proportion to the pH whose initial value ranged in 4～9.The degradation rate reached the summit in the condition that the volume ratio of iron to carbon was 2∶1 and ultrasonic power below 200 W and the reaction temperature exhibited little influence on it.

ultrasound;micro electrolysis;Acid Red B;synergetic effect

TG156.96

A

1003-5540(2011)03-0052-04

袁河清(1975-),女,工程師,實驗師,主要從事化工研究工作。

2011-05-06