Mn2+協同過二硫酸鈉電催化體系對茜素紅與酸性藍80的降解性能研究*

肖秋熔 李冬梅 劉君揚 陳炯禧 董 奇 趙飛嚴 廖志成

(廣東工業大學土木與交通工程學院，廣東 廣州 510006)

我國是紡織印染大國，每年印染廢水排放量呈上升趨勢[1]。印染廢水色度較高，具有抗光解、抗氧化、抗生物降解等特點，傳統的水處理技術較難使其處理達標[2]。蒽醌和偶氮類染料在紡織印染行業中使用廣泛且難以降解，在厭氧條件下，某些微生物還會將其分解為危害人體健康的含苯二胺的芳香胺或苯胺[3]。因此，需要采用快速高效的方法進行處理。

本研究以蒽醌類染料酸性藍80(AB80)與茜素紅(AR)作為處理對象，在Mn2+和過二硫酸鈉(PDS)協同電催化體系(簡稱E-Mn2+-PDS體系)下，以Mn2+與 PDS 濃度、初始pH、電流密度等作為影響因素，對比該體系對AR與AB80的處理效果與降解特性。

1 實驗裝置及流程

實驗裝置見圖1。電催化實驗采用直流穩壓電源為電源，以體積650 mL、直徑9 cm、高度13 cm的有機玻璃反應器作為電解槽，反應器置于磁力攪拌器臺上(攪拌速度600 r/min)，鉑鈦金屬板(寬3.5 cm，長5.0 cm)作為電極片，連接電源的陽極與陰極，電極片平行放置于反應器內(間距2.0 cm)。

1—直流穩壓電源；2—pH計；3—鉑鈦電極片；4—磁力轉子；5—有機玻璃反應器；6—磁力攪拌器圖1 實驗裝置Fig.1 Experimental device

稱取AR和AB80固體放入燒杯，加入少量超純水，50 ℃水浴條件下充分溶解固體后，將溶液轉移到1 L的容量瓶中定容待用。催化體系對AR、AB80降解實驗的反應條件：初始pH為3；AR、AB80降解實驗電流密度分別為17.14、14.29 mA/cm2；AR或AB80初始摩爾濃度均為20 μmol/L；AR、AB80降解實驗PDS分別為35、25 mmol/L；Mn2+為40 μmol/L。通過H2SO4溶液(0.1 mol/L)和NaOH溶液(0.1 mol/L)來調節溶液pH。根據具體的實驗目的，改變體系反應條件的相關因素，其余因素設置不變。在預定時間內從反應器中取樣，經膜(0.45 μm)過濾后進行吸光度檢測。

2 結果與分析

2.1 不同催化體系對AR與AB80的降解效果比較

由圖2、圖3可知，Mn2+催化體系(簡稱Mn2+體系)對AR與AB80的降解效果不明顯，直接電催化體系與PDS催化體系(簡稱PDS體系)降解效果差。PDS電催化體系(簡稱E-PDS體系)對染料的降解效果得到改善，160 min時(后文無特殊說明時，均指此時刻)對AR的降解率為31.0%，對AB80的降解率在45 min時(后文無特殊說明時，均指此時刻)達到44.2%，但效果仍然不理想。Mn2+電催化體系(簡稱E-Mn2+體系)對AR降解率為70.3%，對AB80的降解率則為69.1%，明顯優于E-PDS體系的催化效果。而缺少電激發的 Mn2+和PDS協同催化體系(簡稱Mn2+-PDS體系)對AR的降解率僅為34.6%，對AB80降解率也只有45.3%。E-Mn2+-PDS體系對AR的降解率高達99.5%，對AB80的降解率達到99.8%。因此，這兩種蒽醌類染料降解效果均在E-Mn2+-PDS體系下最佳。

圖2 催化體系對AR的降解率Fig.2 The degradation efficiency of catalytic system on AR

圖3 催化體系對AB80 的降解率Fig.3 The degradation efficiency of catalytic system on AB80

2.2 不同因素對 E-Mn2+-PDS 體系電催化降解效果的影響

2.2.1 初始pH

圖4 初始pH對AR降解的影響Fig.4 The effect of initial pH on the degradation of AR

圖5 初始 pH對AB80降解的影響Fig.5 The effect of initial pH on the degradation of AB80

2.2.2 Mn2+濃度

圖6 Mn2+摩爾濃度對AR降解的影響Fig.6 The effect of Mn2+ molar concentration on the degradation of AR

圖7 Mn2+摩爾濃度對AB80降解的影響Fig.7 The effect of Mn2+ molar concentration on the degradation of AB80

2.2.3 PDS濃度

圖8 PDS摩爾濃度對AR降解的影響Fig.8 The effect of PDS molar concentration on the degradation of AR

圖9 PDS摩爾濃度對AB80降解的影響Fig.9 The effect of PDS molar concentration on the degradation of AB80

2.2.4 電流密度

圖10 電流密度對AR降解的影響Fig.10 The effect of current density on the degradation of AR

圖11 電流密度對AB80降解的影響Fig.11 The effect of current density on the degradation of AB80

2.3 E-Mn2+-PDS體系對典型蒽醌類染料的降解機理

2.3.1 降解過程中氧化性物種的確定

圖12 猝滅劑對AB80降解的影響Fig.12 The effect of quencher on the degradation of AB80

圖13 EPR圖譜Fig.13 The EPR spectrum

(2) 活性Mn3+的存在與確定

在該體系中加入焦磷酸鹽(PP)，研究活性Mn3+對此體系降解AB80的影響。由圖14可知，當體系中加入大量PP(20 mmol/L)時，AB80降解率相比未加時下降了41.8百分點，這是因為258 nm處的Mn3+-PP絡合物生成增多(見圖15)，消耗了體系中的活性Mn3+。這也同時證明了Mn3+存在于E-Mn2+-PDS體系中。

2.3.2 E-Mn2+-PDS體系降解AR與AB80的反應機理

圖14 PP對AB80降解的影響Fig.14 The effect of PP on the degradation of AB80

圖15 Mn3+-PP的紫外可見光譜全波段掃描曲線Fig.15 Full-band scanning curve of UV-vis spectrum of Mn3+-PP

3 結 論

(1) E-Mn2+-PDS體系降解AR的最佳催化條件為初始pH 3、電流密度17.14 mA/cm2、PDS 35 mmol/L、Mn2+40 μmol/L。而降解AB80的最佳催化條件為初始pH 3、電流密度14.29 mA/cm2、PDS 25 mmol/L、Mn2+40 μmol/L。

(2) E-Mn2+-PDS體系完全氧化降解相同初始濃度的AB80與AR的時間分別為45、160 min，后者約為前者的4倍。

(3) E-Mn2+-PDS體系對AR與AB80的降解機理：首先，PDS 被電流與 Mn2+激發出強氧化性的