微波诱导H2O2降解甲基橙溶液的研究

李江，张翠红，陈志敏

（太原工业学院化学与化工系，山西太原030008）

微波诱导H2O2降解甲基橙溶液的研究

李江，张翠红，陈志敏

（太原工业学院化学与化工系，山西太原030008）

本文研究了微波诱导H2O2降解甲基橙的效果。主要考察了甲基橙初始浓度、溶液pH值、双氧水的投加量、微波辐射时间等因素对甲基橙降解率的影响。实验结果表明：甲基橙浓度为5mg/ L，pH值为4，0.132mol/L的双氧水12mL，微波辐射时间为13min时，甲基橙的降解率可达100%。实验还发现微波或双氧水单独作用于甲基橙溶液，基本没有降解作用。

微波辐射；H2O2；甲基橙；降解率

进十几年来，微波技术在一些有机物降解方面得到广泛的研究和应用［1～3］。微波是频率大约在300MHz～300GHz，即波长在1mm到100cm范围内的超高频电磁波，目前，微波化学所采用的常用频率为2450MHz［4］。微波能使极性分子高速旋转碰撞而产生热效应，改变体系的热力学函数，降低反应的活化能和分子的化学键强度，同时微波还具有非热效应即在微波场中剧烈的极性分子震荡使化学键断裂［5］。

微波/H2O2组合系统是在过氧化氢和微波技术的基础上发展起来的高效氧化技术，其原理是H2O2在微波作用下产生氧化性极强的羟基自由基（·OH）与有机物质的作用，使有机物降解并最终完全矿化。此方法具有氧化彻底、反应速度快、处理效率高、无公害等巨大的潜力及独特的优势［6，7］，但这方面的研究报道较少。

甲基橙是偶氮结构的有机染料，是染料废水常见的组分之一，本文以H2O2为基本原料，辅助微波辐射，研究其对甲基橙的降解性能，为染料废水的治理提供基础的实验研究。

1　实验部分

1.1实验仪器和材料

微电脑微波化学反应器（天津科诺仪器设备有限公司WBFY-205），分光光度计（上海棱光技术有限公司，722s），恒温磁力搅拌器（常州国华电器有限公司，85-2）。

双氧水（30%，分析纯，天津政成化学制品有限公司），浓硫酸（优质纯，洛阳市化学试剂厂），甲基橙（分析纯，北京化工厂）。

1.2实验方法

将加入H2O2水溶液的甲基橙溶液置于圆底烧瓶中，接回流装置，微波辐射，定时移取少量溶液冷却至室温，测定溶液的吸光度值，计算甲基橙的降解率。甲基橙的降解率计算公式：U=（1-A0/A）×100%；式中A0-降解之前溶液吸光度，A-降解后溶液吸光度。

2　实验结果与讨论

2.1溶液pH值对甲基橙降解率的影响

100mL 5mg/L的甲基橙溶液中加入10mL0.132mol/L的H2O2，用0.1mol/L硫酸调节溶液pH值，800w微波辐射13min，降解结果如图1。

图1　溶液pH值对降解率的影响

由图1可知，改变甲基橙溶液的pH值，降解率会随之变化。未加硫酸调节即甲基橙的水溶液的pH=6，13min后降解率只有6%，随着pH的降低，降解率有所提高，当溶液pH=4的时候，甲基橙的降解率最大，可达到87.2%。随后随着pH的继续降低，降解率反而有所降低。甲基橙溶液具有偶氮染料的醌式结构，溶液外观为橙红色，微波作用下的降解效果明显，生色团被破坏。pH小于4或大于4降解率都逐渐减小，按照经典的反应理论，pH值升不利于·OH的产生；当pH低于4时，溶液中H+浓度过高也会抑制·OH的生成，以致影响甲基橙的降解率，所以微波和H2O2处理甲基橙溶液的最佳pH值为4。

2.2微波辐照时间对降解率的影响

在100mL 5mg/L的pH=4的甲基橙溶液中加入0.132mol/L的H2O210mL，800w微波辐射，甲基橙的降解结果如图2。

图2　微波辐照时间对降解率的影响

由图2可以看出，随着反应时间的延长甲基橙的降解率逐渐增加，反应13min后降解反应达到平衡，降解率最大达到87.2%趋于稳定。

2.3双氧水用量对降解率的影响

100mL 5mg/L的甲基橙溶液中，加入0.132mol/L 的H2O2不同的量，调节溶液pH=4，微波辐射13min，降解结果如图3。

图3　H2O2用量对降解率的影响

H2O2是体系中产生·OH的主体，H2O2的用量将直接影响羟基自由基的生成量，对氧化效率起决定作用。由图3可知，随着H2O2用量的增加，甲基橙的降解不断增大，当H2O2的用量为12mL时，甲基橙溶液降解率达到100%。这说明在降解过程中随H2O2用量加大，·OH的产生的量也随之增加，甲基橙的降解率也随之增加；当H2O2的用量超过12mL时，甲基橙的降解率开始出现下降，这是因为过量的H2O2与·OH反应生成了H2O和O2，消耗了部分·OH，使甲基橙溶液降解率降低。

2.4甲基橙起始浓度对降解率的影响

100mL不同浓度的pH=4的甲基橙溶液，分别加入0.132mol/L的H2O212mL，微波辐射13min，降解结果如图4。

图4　甲基橙起始浓度对降解率的影响

由图4可以看出，随着甲基橙浓度的增大，降解率逐渐减小。5mg/L的甲基橙溶液降解13min降解率可达到100%，而20mg/L的甲基橙溶相同时间降解率为76.6%。因为不同浓度的甲基橙溶液中所加的H2O2的量是相同的，甲基橙浓度越大，单位浓度所负载的H2O2的量就越少，降解率也就越小。

2.5微波/H2O2、单独H2O2、单独微波辐照三者之间的比较

100mL浓度c=5mg/L的pH=6的甲基橙溶液中，加入0.132mol/L的H2O210mL分别考察了三种工艺条件下降解甲基橙的效果（1）仅加入H2O2（2）仅用微波辐射（3）微波和H2O2共同作用。实验结果如图5所示。结果表明在甲基橙溶液中只加H2O2，甲基橙没有任何降解；仅用微波辐射，10min后甲基橙降解率只有2%，随后降解率基本没有变化；而采用微波和H2O2共同作用，甲基橙降解率最大可达到42%。分析原因可能是由于由甲基橙的发色基团是偶氮基，单独使用微波辐射所产生的能量不足以破坏偶氮类染料的偶氮键，所以单独微波辐射对甲基橙基本没有降解作用；单独使用H2O2时，不会产生·OH来氧化偶氮键，所以甲基橙也没有被降解；当微波和H2O2共同作用于甲基橙溶液时，是微波辐射所产生的能量诱导H2O2产生·OH，·OH的强氧化性使偶氮键被氧化，偶氮键被打开，甲基橙的发色基团被破坏，所以甲基橙被降解了。

图5　不同工艺条件对降解率的影响

3　结论

3.1微波/H2O2系统氧化降解甲基橙溶液，降解率与H2O2加入量、甲基橙初始浓度、溶液pH值等有关。甲基橙初始浓度越低，降解率越高；增加H2O2用量可以提高甲基橙降解率，但用量过大反而会抑制降解作用；溶液的酸碱性影响甲基橙的降解率，当pH= 4时降解率最大。

3.2单独使用微波或单独加入H2O2对甲基橙几乎无降解作用，微波/H2O2系统是微波和H2O2共同作用产生强氧化剂·OH，使甲基橙被氧化而发生了降解。

［1］孙萍，肖波，杨家宽.微波技术在环境保护中的应用［J］.化工环保，2001，22（2）：71-74.

［2］王金成，薛大明，等.微波诱导氧化处理活性艳蓝KN-R染料溶液的研究染料废水研究［J］.环境科学学报，2001，21（5）：628-630.

［3］张国宇，王鹏，姜思朋等.微波诱导氧化处理雅格素红BF-3B染料废水的研究［J］.环境科学，2004，25（s）：52-55.

［4］金钦汉.微波化学［M］］.北京：科学出版社，1999.

［5］王鹏.环境微波化学技术［M］.北京：化学工业出版社，2003.

［6］赵德明，金宁人，吴纯鑫.微波/过氧化氢系统催化降解苯酚水溶液［J］.化工学报，2007，58（7）：1736-1740.

［7］刘龙，赵浩，徐炎华.微波-H2O2-活性炭协同催化氧化处理苯酚废水［J］.南京工业大学学报，2010，32（1）：46-49.

Study on the degradation ofm ethylorange by H2O2m icrowave indution

LIJiang，ZHANG Cui-hong，CHEN Zhi-min
（Dept.ofChemistry and ChemicalEngineering，Taiyuan InstituteofTechnology，Taiyuan 030008，China）

In thispaper，methyl orangewas degraded by H2O2microwave induction.Mainimpacting factors of degradation rate were investigated，including the concentration ofmethyl orange，pH ofslotion，dosing quantity of H2O2，microwave radiation time.The resultsshowed thatmethylorange concentration of5mg/L，the pH value of4，0. 132mol/L 12mL ofH2O2，microwave irradiation time for13mins，the degradation rate ofmethylorange could reach 100%.Aslo foundmethyl orange was not degraded by the action ofmicrowave alone，orby the action ofhydrogen peroxide alone.

microwave radiation；H2O2；methylorange；degradation rate

10.3969/j.issn.1008-1267.2015.05.004

TQ03-39

A

1008-1267（2015）05-0012-03

2015-03-31

李江（1968～），女，副教授，主要研究方向染料废水的处理。