超聲波/鐵炭微電解協(xié)同降解酸性紅B

袁河清

(長沙環(huán)境保護職業(yè)技術(shù)學院,湖南長沙 410004)

超聲波/鐵炭微電解協(xié)同降解酸性紅B

袁河清

(長沙環(huán)境保護職業(yè)技術(shù)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(xié)同效應(yīng)。結(jié)果表明,降解過程二者間存在顯著協(xié)同作用(E=11.63);單因子實驗發(fā)現(xiàn)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(xié)同效應(yīng)

1 實驗材料及設(shè)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(yīng)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(jié)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(yīng)瓶中,分別調(diào)節(jié)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(yīng)瓶置于超聲反應(yīng)槽中,控制反應(yīng)溫度25℃,US功率250 W,同時設(shè)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(xié)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(nèi),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(xié)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(xié)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(xié)同作用。

圖2 US/FCME協(xié)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(yīng)速度,有利于鐵炭原電池反應(yīng)[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(chǎn)生的大量中間態(tài)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(jié)構(gòu)和特性,具有使有機物發(fā)生斷鏈、開環(huán)等作用。

同時因pH可影響酸性紅B在水中的分布形態(tài),導(dǎo)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(fā)進入泡內(nèi),其既可在空化泡內(nèi)直接熱解,又可與液相中·OH發(fā)生氧化反應(yīng)。當溶液的pH較大時(大于酸性紅B的平衡常數(shù)),酸性紅B發(fā)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(fā)生氧化反應(yīng),降解效果較低。

對圖1、圖2用擬一級反應(yīng)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(shù)(列于表1),考察范圍初始pH=4時反應(yīng)速率常數(shù)最大。

西方藝術(shù)人類學名家思想的研究，可以使我們系統(tǒng)地了解這些西方藝術(shù)人類學大師的學術(shù)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(shù)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(yīng)動力學常數(shù)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(yōu),反應(yīng)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(shù)據(jù)采用擬一級反應(yīng)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(shù)(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(yīng)動力學常數(shù)

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(yīng)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)?？梢?溫度上升,酸性紅B去除率略有升高。對于一般的化學反應(yīng),反應(yīng)溫度升高,反應(yīng)體系中分子平均動能增高,反應(yīng)速率加快。對圖5數(shù)據(jù)采用擬一級反應(yīng)動力學方程擬合,得到相應(yīng)的反應(yīng)動力學常數(shù)(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(yīng)動力學常數(shù)

2.2 US與FCME的協(xié)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(xié)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(jīng) 2 h反應(yīng),降解率分別只有4.79%和68.72%,而在US/FCME協(xié)同系統(tǒng)中,酸性紅B的降解率明顯提高,反應(yīng)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(xié)同效應(yīng)明顯,US空化效應(yīng)[10]可產(chǎn)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(chǎn)生斷裂,產(chǎn)生自由基引發(fā)各種反應(yīng),同時US的熱效應(yīng)(聲波轉(zhuǎn)化而成)以及對顆粒表面的沖刷效應(yīng)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(yīng)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(yīng)動力學常數(shù)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(shù)k。由表4可知,在US/FCME和FCME條件下所擬合的速率常數(shù)相關(guān)系數(shù)較高,表明酸性紅B在這兩種工藝下的降解反應(yīng)符合表觀一級動力學,其協(xié)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(shù)

3 結(jié) 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(xié)同效應(yīng)。結(jié)果表明,降解過程二者間存在顯著協(xié)同作用(E=11.63);單因子實驗發(fā)現(xiàn)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。

[1] 戴樹桂,宋文華.偶氮染料結(jié)構(gòu)與其生物降解性關(guān)系研究進展[J].環(huán)境科學進展,1996,4(6):1-9.

[2] 周元祥,崔康平,李湘凌,等.微電解對不同結(jié)構(gòu)染料脫色效果的研究[J].環(huán)境化學,2006,25(3):367-369.

[3] 陳偉.超聲輻照降解水中有機污染物的研究[D].上海:同濟大學,2000.

[4] Nagata Y.Nakagawa M.Sonochemical degradation of chlorophenols in water,Ultrasonic Sonochemistry,2000,18(7):115-120.

[5] Petrier C.Lamy M F.Sonochemical degradation of phenol in dilute aqueous solutions:comparison of the reactor rates at 20 kHz and 487 kHz[J].Phys.Chem,1994,98(4):10 514-10 520.

[6] 董梅霞,荊國華,李艷,等.超聲波/微電解協(xié)同降解苯酚[J].環(huán)境科學學報,2009,29(5):1 042-1 048.

[7] 白波,陳志紅,王莉平.超聲波/鐵-炭微電解耦合處理直接大紅4BE染料廢水[J].應(yīng)用化學,2007,36(2):130-133.

[8] 胡文勇,華兆哲,王璋,等.黃姜廢水的鐵炭微電解-混凝預(yù)處理研究[J].環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備,2004,5(9):44-47.

[9] 李輝.鐵炭微電解-Fenton氧化聯(lián)合處理染料廢水研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,2006.

[10]劉剛,梅教宗,劉發(fā)強,等.超聲波技術(shù)在廢水處理中的應(yīng)用研究[J].化工科技,2000,8(5):55-59.

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