水力空化與臭氧聯(lián)合降解羅丹明B

馮中營，趙婷婷

(1 太原工業(yè)學(xué)院理學(xué)系, 山西 太原030008；2 陜西師范大學(xué)應(yīng)用聲學(xué)研究所，陜西 西安710062)

0 引 言

聲化學(xué)的主動力是空化，而最終的、直接的轉(zhuǎn)換目標(biāo)是產(chǎn)生大量、強(qiáng)“活性”的空化氣泡.因此，對于大流量的液體的處理，使用流體動力式空化發(fā)生器引起了眾多聲化學(xué)應(yīng)用研究者的考慮.水力空化容易產(chǎn)生，空化的操作參數(shù)更容易實(shí)現(xiàn)控制，使用更加方便，效率更高；但是單獨(dú)水力空化的降解效果也是有限的，通過與其他方法結(jié)合可以獲得更好的降解效果[1-6].臭氧長期以來就被認(rèn)為是一種有效的氧化劑和消毒劑，并對有機(jī)染料具有較好的降解效果，但將臭氧通入反應(yīng)器后，會有大量的臭氧立即逃逸出反應(yīng)液，從而不能參與反應(yīng)而造成大量的臭氧被浪費(fèi).環(huán)境中臭氧濃度過高還會對人造成一定的危害.將水力空化與臭氧聯(lián)合，不但可以減少臭氧的使用量，避免臭氧浪費(fèi)，而且獲得更好的降解結(jié)果.本研究選用羅丹明B(Rhodamine B)作為降解的物質(zhì)，它又稱玫瑰紅B,或堿性玫瑰精，俗稱花粉紅，是一種具有鮮桃紅色的人工合成的染料.經(jīng)老鼠試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，羅丹明B會引致皮下組織生肉瘤，被懷疑是致癌物質(zhì)，因此降解水中的羅丹明B可以減少污染從而減少癌癥發(fā)病率.

本研究采用相同穿孔面積，兩種不同孔徑和孔數(shù)的孔板，研究探討水力空化、臭氧與水力空化聯(lián)合降解羅丹明B的效果，使得臭氧利用率達(dá)到最高.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試 劑

Rhodamine B，分析純，分子式C28H31ClN2O3，分子量479.02.實(shí)驗(yàn)中用蒸餾水配制羅丹明B質(zhì)量濃度為2 mg/L.

1.2 分析方法

本研究通過不同實(shí)驗(yàn)條件下的不同降解方式對羅丹明B的降解率來評測降解效果.通過測定羅丹明B反應(yīng)前后的濃度來求得水力空化對羅丹明B的降解率.濃度測定采用紫外可見分光光度計(jì)，通過測量羅丹明B溶液的吸光度(Abs.)后由儀器自動計(jì)算其濃度，其原理是朗伯-比爾(Lambert-Beer)定律，物質(zhì)在一定波長的吸光度與它的吸收介質(zhì)的厚度和吸光物質(zhì)的濃度呈正比.

2 結(jié)果與討論

本研究首先進(jìn)行了單獨(dú)臭氧降解實(shí)驗(yàn)，臭氧、水力空化依次降解實(shí)驗(yàn)；最后進(jìn)行兩種穿孔板在通入不同通氣量臭氧時(shí)的聯(lián)合降解實(shí)驗(yàn)，研究通入臭氧對降解效果的影響.

2.1 臭氧降解實(shí)驗(yàn)

在不同的臭氧通氣量條件下，羅丹明B降解率隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖1所示.

圖1 降解率隨時(shí)間的變化關(guān)系Fig.1 Effect of time on the degradation

臭氧單獨(dú)作用時(shí)降解率隨時(shí)間的延長而增加，隨通氣量的增加而增加.在通氣量為1 L/min時(shí)，經(jīng)過10 min，羅丹明B的降解率為21.17%，經(jīng)過20 min，羅丹明B的降解率就達(dá)43.87%，經(jīng)過60 min，降解率可達(dá)82.23%.

2.2 臭氧、水力空化降解實(shí)驗(yàn)

2 mm孔徑、孔數(shù)為9的穿孔板與通氣量為1 L/min的臭氧聯(lián)合，臭氧通入實(shí)驗(yàn)容器中，而不通入實(shí)驗(yàn)管道，此時(shí)可以認(rèn)為臭氧先參與降解反應(yīng)，然后水力空化參與降解反應(yīng)，兩者之間無聯(lián)合協(xié)同作用關(guān)系.當(dāng)穿孔板的進(jìn)口壓強(qiáng)為0.2 MPa時(shí)，羅丹明B降解率隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖2所示.

圖2 降解率隨時(shí)間的變化關(guān)系Fig.2 Effect of time on the degradation

隨著時(shí)間的延長，羅丹明B的降解率增加，10 min后，羅丹明B的降解率為27.70%，經(jīng)過20 min，羅丹明B的降解率就達(dá)51.81%，處理60 min時(shí)，降解率可達(dá)86.55%.通過與前面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比可以得出，用臭氧及水力空化降解羅丹明B，其降解率僅比單獨(dú)臭氧降解略有提高，其結(jié)果近似為單獨(dú)臭氧降解與單獨(dú)水力空化降解效果之和.

2.3 臭氧、水力空化聯(lián)合降解羅丹明B的降解率隨氣體通氣量的變化關(guān)系

a. 在孔徑為1 mm、孔數(shù)為36的穿孔板通入臭氧，在進(jìn)口壓強(qiáng)為0.3 MPa時(shí)，改變臭氧通氣量，羅丹明B降解率隨臭氧通氣量的變化關(guān)系如圖3所示.

圖3 降解率隨臭氧流量的變化關(guān)系Fig.3 Effect of ozone flux on the degradation

圖3表明，降解率隨臭氧通氣量的增大而增大，當(dāng)通氣量大于0.7 L/min后，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化趨勢觀察，通入過量的臭氧后降解率變化不明顯.通入過多的氣體還會抑制水力空化，所以存在一個(gè)最佳的臭氧通氣量.

在1 mm孔徑穿孔板，通氣量都為1 L/min時(shí)的三種不同情況降解率列于表1，對比看出：水力空化、臭氧聯(lián)合作用大大提高羅丹明B的降解率.

表1 不同降解方式的降解率對比表Table 1 Comparison table of degeneration rate of different degeneration methods

b. 孔徑為2 mm、孔數(shù)為9的穿孔板與臭氧聯(lián)合，在進(jìn)口壓強(qiáng)為0.2 MPa時(shí)，降解率隨臭氧通氣量的變化關(guān)系如圖4所示.

圖4 降解率隨臭氧流量的變化關(guān)系Fig.4 Effect of ozone flux on the degradation

由圖4可知，降解率隨臭氧通氣量的增大而增大，通入過量的臭氧不僅不促進(jìn)羅丹明的降解還會抑制水力空化的產(chǎn)生，最佳通氣量為0.7 L/min.

對于孔徑為2 mm穿孔板，通氣量為1 L/min時(shí)，三種不同情況降解率列于表2，也表明了水力空化、臭氧聯(lián)合作用大大提高羅丹明B的降解率.

表2 不同降解方式的降解率對比表Table 2 Comparison table of degeneration rate of different degeneration methods

c. 換用不同的穿孔板在不同的條件下實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表3，降解時(shí)間為20 min，結(jié)果同樣表明聯(lián)合降解的效果非常好.

表3 不同條件下聯(lián)合降解率明細(xì)表Table 3 Detailed list table of degeneration rate under the dissimilar condition

在聯(lián)合降解中無限增加臭氧通氣量，造成臭氧的浪費(fèi).本實(shí)驗(yàn)中的通氣量最佳值是根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后立即測得的數(shù)據(jù)而得出的，實(shí)踐表明，臭氧通入量大于1 L/min時(shí)，反應(yīng)溶液經(jīng)過一段時(shí)間的靜置后，降解率還會升高.

4 機(jī)理探討

通入空氣氣體為水力空化提供了更多的空化氣泡核，提高了水力空化效應(yīng)；通氣量過大，大量的氣泡則會抑制水力空化的產(chǎn)生.

水力空化與臭氧聯(lián)合，對羅丹明B的降解率大大提高，從降解的機(jī)理分析，水泵的機(jī)械作用將臭氧氣泡粉碎成微氣泡，極大地提高了臭氧的溶解速度，水中的羅丹明B受高濃度的臭氧作用迅速被氧化降解；水力空化效應(yīng)產(chǎn)生局域高溫高壓條件促使空化泡中O3的直接快速的分解，在溶液中產(chǎn)生了更多的具有活性的HO·.HO·自由基氧化性極強(qiáng)，加速了羅丹明B的氧化降解；空化效應(yīng)促使O3分解產(chǎn)物由常溫常壓下氧化性弱的O2轉(zhuǎn)化成常溫常壓下氧化性強(qiáng)的H2O2，使得羅丹明B降解的效果更好.

5 結(jié) 語

臭氧(O3)是一種強(qiáng)氧化氣體，對羅丹明B具有很好的降解作用，臭氧通氣量越高，降解效果越好.

對于不同的穿孔板或者不同進(jìn)口壓強(qiáng)下的同一穿孔板，臭氧與水力空化聯(lián)合后對羅丹明B的降解效果遠(yuǎn)高于單獨(dú)臭氧的降解效果.臭氧與水力空化聯(lián)合作為一種不會帶來二次污染的水處理方式具有很好的應(yīng)用前景，并為我國的聲化學(xué)從實(shí)驗(yàn)室到實(shí)用化工作提供了一條思路[7-8].

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