多针-水电极直流电晕放电染料废水脱色＊

王铁成 鲁 娜 李 杰,2＊＊ 吴 彦,2

(1 大连理工大学静电与特种电源研究所,大连,116024;2 大连理工大学工业生态与环境工程教育部重点实验室,大连,116024)

多针-水电极直流电晕放电染料废水脱色＊

王铁成1鲁 娜1李 杰1,2＊＊吴 彦1,2

(1 大连理工大学静电与特种电源研究所,大连,116024;2 大连理工大学工业生态与环境工程教育部重点实验室,大连,116024)

采用多针-水电极反应器,研究了直流电晕放电对活性艳蓝 KN-R染料废水的脱色,考察了放电电压、初始 pH值和初始浓度对活性艳蓝脱色的影响,通过对液相活性物质 (O3和·OH)浓度的考察探讨了脱色机理.结果表明,多针-水电极直流电晕放电对活性艳蓝脱色效果明显;放电电压、溶液初始 pH值对活性艳蓝脱色效果的影响与其对液相O3和·OH浓度的影响一致;·OH和O3是促使 RBB脱色的主要因素.

多针-水电极,直流电晕放电,染料废水,脱色.

染料废水是较难处理的工业废水,具有污染物浓度高、色度深、生化降解能力差、对水环境危害严重等特点[1].目前对于染料废水的处理仍以生化法为主,化学或物理法为辅.传统治理法由于成本高、二次污染等缺点而受到限制.近年来,低温等离子体技术用于难降解有机污染物的处理因其具有高效、无选择性、无二次污染等特点深受关注[2,3].

本文采用多针-水电极直流电晕放电对染料废水进行脱色,考察了放电电压、废水初始 pH值和初始浓度对脱色的影响,并结合液相活性物质 (O3和·OH)浓度的变化对脱色机理进行了探讨,为直流电晕放电技术在工业废水处理中的应用提供参考.

1 实验部分

实验装置如图1所示,电源为负直流高压电源,输出电压 0—20kV可调.放电反应器由有机玻璃制成,尺寸为 800mm×400mm×110mm.放电电极由 3#镀镍大头针呈等间距矩形分布在铺有若干层铝箔纸的聚乙烯板上构成.针尖间距 10—40mm可调,针电极位于气相中,放电间距 5—25mm连续可调.废水作接地电极,气体(空气)从针水间隙穿过,从出气口排出.

实验室模拟染料废水.染料废水初始 pH值 5.35、电导率 50μS·cm-1、水层厚度 6mm、气体流量 2 L·min-1、针尖间距 20mm、放电间距 14mm、针数 299,废水初始浓度 40.2mg·l-1.采用0.1mol·l-1HCl或 NaOH溶液调节染料废水 pH值.

实验以活性艳蓝 KN-R(RBB)为处理对象,检测波长 595nm.电压信号由 Tektronix P6015电压探头采集;电流用微安电流计测量;溶液电导率采用 Hanna EC215型电导率仪测定;废水 pH值采用Orion828型 pH计测定;液相O3浓度采用靛蓝二磺酸钠分光光度法检测[4];液相·OH采用溴酚蓝分光光度法测定[5].

2 结果与讨论

2.1 放电电压的影响

图2为放电电压对 RBB脱色效果的影响.增大电压有利于 RBB脱色,RBB脱色率从电压 8.0kV时的 69.4%提高到电压 11.2kV时的 90.7%(处理 60min).因为电压增大,电极间电场强度增强,高能电子数量增加,从而产生更多的自由基和臭氧等活性物种[6].

图1 实验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup

2.2 废水初始 pH值的影响

溶液初始 pH值对 RBB脱色率的影响如图3所示.RBB在酸性环境脱色效果最佳,pH值为 2.37时,脱色率达到 87.8%(处理 60min);在碱性环境下次之,pH值为 10.8时脱色率可达 85.2%;而在中性下最差,pH值为 7.02时脱色率仅为 40.7%.可见,废水初始 pH值对脱色影响显著.

2.3 废水初始浓度的影响

图4为 RBB脱色率与废水初始浓度 C0的关系.当其它条件恒定时,C0增大,脱色率降低,经过60min处理后,RBB脱色率从 C0为 28.0mg·l-1时的 91.7%下降到 C0为 108.6mg·l-1时的 81.1%.这可能因为溶液中有机物的量超过了体系产生的自由基的数目,而使体系中 RBB脱色率下降[7].

图3 废水初始 pH值对 RBB脱色率的影响Fig.3 Effect of initial pH on RBB decoloration

图4 废水初始浓度对 RBB脱色率的影响Fig.4 Effect of initial concentration on RBB decoloration

2.4 RBB脱色机理

图5为不同放电电压下液相·OH和液相 O3浓度随放电时间的变化关系,其中,对于液相·OH浓度的测定,采用溴酚蓝溶液代替 RBB染料废水;对于液相 O3浓度的测定,RBB染料废水初始 pH值为 5.35,其它条件保持不变.从图5中可看出,放电电压越大,液相·OH和 O3浓度越高.放电60min后,液相 O3浓度从电压 8.0kV时的 1.5mg·l-1提高到电压 11.2kV时的 2.3mg·l-1,相应的·OH浓度从 0.0032mmol·l-1增大到 0.0051mmol·l-1.液相·OH和 O3浓度随放电电压的变化趋势与 RBB脱色率随放电电压的变化一致.

图6为液相 O3浓度与废水初始 pH值的关系,图6可见,酸性条件下液相 O3浓度较大,放电60min后达 5.44mg·l-1(pH=2.37);碱性次之,60min后达 3.78 mg·l-1(pH=10.8);而中性条件下最小,60min后仅为 2.15mg·l-1(pH=7.02).这与溶液初始 pH值对 RBB脱色率的影响一致.

在酸性条件下,O3不易分解,可快速与 RBB反应使之脱色;在中性条件下,电子轰击中性溶液时产生的各种自由基的产率要远远小于酸性与碱性溶液[8],所以中性时 RBB脱色效果差;碱性条件下,OH-浓度高,会催化 O3部分分解产生·OH,·OH的氧化还原电位较大,有利于 RBB的脱色.

因此,综合放电电压、废水初始 pH值对 RBB脱色的影响,以及其对液相·OH和 O3浓度的影响,可以推断,·OH和 O3是促使 RBB脱色的主要因素.

图5 不同电压下液相·OH和 O3浓度随放电时间的变化Fig.5 Changes of concentrations of·OH and O3in aqueous with discharge time under different discharge voltages

图6 废水初始 pH值与液相 O3浓度的关系Fig.6 Relationship of initial pH ofwas twater and O3concentration in aqueous

3 结论

采用多针-水电极直流电晕放电可以使 RBB染料废水脱色.在放电电压 11.2kV、废水初始浓度40.2 mg·l-1的条件下,60min后 RBB脱色率可达 90.7%.放电电压、废水初始 pH值和初始浓度对RBB脱色影响显著.其中,放电电压和废水初始 pH值通过影响液相活性物质 (·OH和 O3)的浓度,进而影响 RBB脱色.O3和·OH是促使 RBB脱色的主要因素.

[1] Sugiarto A T,Takayuki O,Masayuki S,Advanced Oxidation Processes Using Pulsed Streamer Corona Discharge in Water[J].Thin Solid Films,2002,407(1—2) ∶174—178

[2] 李劲,王万林,李胜利等,脉冲电晕放电下焦化废水脱硫的研究 [J].环境科学,2004,25(2)∶77—80

[3] Sugiarto A T,TakayukiO,Masayuki S,Oxidative Decoloration ofDyes by Pulsed Discharge Plasma inWater.Journal of Electrostatics,2003,58(1—2) ∶135—145

[4] 张全忠,吴潘,梁斌,液相中臭氧浓度的检测 .工业水处理,2001,21(4)∶30—32

[5] 董丽敏,气-水两相流体中电晕放电脱硫脱硝机理的研究 [D].哈尔滨:哈尔滨理工大学,2005

[6] Suarasan I,Ghizdavu L,Budua S et al.,Experimental Characterization ofMult-Point Corona Discharge Devices forDirectOzonization of Liquids.Journal of Electrostatics,2002,54(2) ∶207—214

[7] 王慧娟,李杰,全燮,高压脉冲放电等离子体处理酸性橙Ⅱ染料废水的实验研究 .北京理工大学学报,2005,25(增)∶223—226

[8] 李胜利,李劲,用高压脉冲放电等离子体处理印染废水的研究 .中国环境科学,1996,16(1)∶73—76

RESEARCH ON DECOLORATI ON OFWASTEWATER BY DC CORONA D ISCHARGE USING M ULTI-NEEDLE-TO-WATER ELECTRODE SYSTEM

WANG Tie-cheng1LU Na1L I Jie1,2WU Yan1,2
(1 Institute of Electrostatics and Special Power,Dalian University of Technology,Dalian,116024,China;2 KeyLaboratory of Industrial Ecology and Environmental Engineering,Ministry of Education,Dalian University of Technology,Dalian,116024,China)

The decoloration of Reactive Brilliant Blue KN-R (RBB)using a multi-needle-to-water DC corona discharge system was investigated.The effect of applied voltage,initial concentration and initial pH on RBB decoloration was studied.The mechanis m of decoloration was discussed by investigating the changes ofO3and·OH quantities in aqueous.The results show that multi-needle-to-water DC corona discharge could decolor RBB efficiently.O3and·OH were the main factors to decolor RBB.

multi-needle-to-water electrode,DC corona discharge,dye wastewater,decoloration.

2009年5月9收稿.

＊高等学校博士学科点专项科研基金资助 (20070141004).＊＊通讯联系人,E-mail:lijie@dlut.edu.cn