日落黄在FTO导电玻璃上的电解降解研究

郑国才，陈毅挺

(1.闽江学院海洋学院，福建 福州 350108；2. 绿色材料与化工福建省高校工程研究中心，福建 福州 350108；3. 福建省中国漆新型材料工程研究中心，福建 福州 350108)

日落黄(图1)，由对氨基苯磺酸重氮化后与薛佛氏盐偶合制得，是一种合成着色剂，用于食品、化妆品和药品等领域[1-3]。作为一种橙色偶氮染料，日落黄若在生产或使用过程中进入水体，将对环境产生严重的污染。因此需要开发一种效率高、成本低和能耗少的处理方法，以减轻其对生态环境和人体健康的影响[4-7]。

图1 日落黄结构式

目前，日落黄的处置方式主要有物理法[8]、光催化法[9-11]、生物法[12]和电化学法[13-15]等。由于电化学法具有装置结构简单紧凑、运转简单易自动化、操作维护方便和氧化还原能力强等特点，如今已广泛应用于染料废水的降解脱色处理。根据电化学原理，本研究采用FTO导电玻璃和铂丝分别作为电解装置的阳极和阴极，通过电化学法降解处理日落黄废水，并探讨各种影响因素如电解质种类与溶度、外加电解电压等因素对日落黄溶液脱色率的影响。

1 实验部分

1.1 主要试剂与仪器

日落黄(分析标准品，阿拉丁)；磷酸(AR，上海品杰化学试剂有限公司)；乙酸(AR，中国化学试剂研究所)；氯化钠、硝酸钠、硫酸钠、硼酸(AR，上海久亿化学试剂有限公司)；去离子水(自制)。

BS-214D型电子分析天平(北京赛多利斯仪器系统有限公司)；pH/ISE-828型测试仪(美国奥立龙)；WS-YL型数字稳压稳流电源(南京桑力电子设备厂)；722型可见分光光度计(上海光谱仪器有限公司)。

1.2 实验方法

将日落黄溶液装于3 cm的比色皿中，置于可见分光光度计暗盒里，施加电压进行电化学降解，每隔一定时间检测日落黄溶液在最大吸收波长481 nm的吸收值，其降解效果脱色率详见如下计算式：

R/%=(A0-A)/A0×100%

式中，A0为日落黄处理前的吸光度；A为日落黄处理后的吸光度；R为日落黄的脱色率。

2 结果与讨论

2.1 电解质种类对日落黄脱色率的影响

实验分别配置含不同电解质(7.3 g·L-1氯化钠、10.6 g·L-1硝酸钠、17.8 g·L-1硫酸钠)的日落黄溶液(7.0 g·L-1，pH 7.24)，并通过电源施加10 V的电压，电化学电解30 min后于481 nm测定不同时刻的脱色率，实验结果详见图2。

图2 不同电解质对日落黄脱色率的影响

由图2可知，氯化钠、硝酸钠和硫酸钠3种电解质对日落黄溶液的脱色均有效果。随着电解时间增加，氯化钠对电化学降解日落黄的效果明显优于硝酸钠和硫酸钠，可能是由于氯化钠在电解脱色过程可生成氧化性强的活性氯，从而提升脱色效果[16]。同时，考虑到所用的氯化钠价格便宜且用量少，故选用氯化钠作为电解质。

2.2 电解质浓度对日落黄脱色率的影响

分别配制含有2、3、6、12、18、24和30 g·L-1氯化钠的日落黄溶液(7.0 g·L-1，pH 7.24)，施加10 V的电解电压，测定不同时刻日落黄溶液的脱色率，实验结果详见图3。

图3 氯化钠浓度对日落黄脱色率的影响

从图3可知，随着氯化钠浓度的提高，日落黄脱色率整体呈现先上升后下降的趋势，当氯化钠质量浓度为3.0 g·L-1时日落黄的脱色率最高。这应该是由于电极表面的活性氯和羟基自由基的量随着氯化钠浓度增大而升高，从而使日落黄的脱色率显著提升[16]；但当氯化钠浓度过高时，阻碍了日落黄扩散到电极表面反应[17]，导致了脱色率下降，故综合考虑实验选择氯化钠质量浓度为3.0 g·L-1。

2.3 外加电压对日落黄脱色率的影响

对含有3.0 g·L-1氯化钠的日落黄溶液(7.0 g·L-1，pH 7.24)，分别施加3、5、6、8、10、12 V的电解电压，其日落黄的脱色情况如图4所示。

图4 电解电压对日落黄脱色率的影响

从图4可见，当外加电压逐渐增大时，日落黄的电解降解效果更好。当外加电压为10 V时，日落黄的脱色率最高，而电压高于10 V后，脱色率有少许降低，可能是由于电压过大，电流强度增大，电极表面的析氧副反应加剧[18]，参与降解的有效面积减小，使得日落黄的脱色率下降。故选用10 V为脱色过程中的电解电压。

2.4 初始pH对日落黄脱色率的影响

溶液pH的不同，会影响自由基的产生以及电极的性能[19]。考察不同初始pH对日落黄脱色率的影响，实验结果详见图5。

图5 不同pH对日落黄脱色率的影响

从图5可见，溶液酸碱度对日落黄脱色率效果具有一定的影响，当pH为7.24与7.51时，日落黄的脱色率最高，考虑到中性溶液降解后对环境的影响小，故本实验选用的pH为7.24。

2.5 日落黄起始浓度对日落黄脱色率的影响

配制具有不同浓度的日落黄溶液，控制电解电压为10 V，监测日落黄溶液在481 nm的吸光度变化情况，从而得到不同起始浓度日落黄溶液的降解脱色率(图6)。

图6 日落黄起始浓度对日落黄脱色率的影响

从图6可见，当日落黄的初始浓度为5.0～7.0 g·L-1时脱色率相当。而当日落黄的初始浓度大于7.0 g·L-1后，脱色率有所下降。考虑到在相同的电解时间下低浓度的日落黄的实际去除量要比高浓度下情况小得多[20]，故选择处理的溶液中日落黄的初始浓度为7.0 g·L-1。

2.6 电解时间对日落黄脱色率的影响

控制电解电压为10 V，对含有3.0 g·L-1氯化钠的日落黄溶液(7.0 g·L-1，pH 7.24)进行电解处理，其脱色率变化如图7所示。

图7 电解时间对日落黄脱色率的影响

从图7可见，当电解时间增加时，日落黄电解降解效果逐渐变好，这可能是随着电解反应的进行，电极表面的羟自由基和活性氯的量不断增大，从而提高了日落黄的脱色效果。当电解时间高于10 min后，大部分的日落黄应该已被降解，故日落黄脱色率趋于平缓。所以选择电解时间为10 min。

2.7 重复性实验

在最佳降解条件下，即控制外加电压为10 V，对含有3.0 g·L-1氯化钠的日落黄溶液(7.0 g·L-1，pH 7.24)进行电解处理10 min，进行5次重复性试验，结果得到日落黄的脱色率为93.96%，其相对标准偏差为2.69%。而在不施加外加电压的情况下，含有3.0 g·L-1氯化钠的日落黄溶液(7.0 g·L-1，pH 7.24)在自然光条件下放置1 d，其481 nm的吸光度无明显变化。综上可知，使用该工艺处理日落黄溶液不需要加入化学氧化剂和还原剂，处理费用低廉，且使用设备简单，脱色效果令人满意。

3 结论

通过电化学法探究了日落黄在FTO导电玻璃上的电解实验工艺，考察了外加电压、电解时间、溶液pH等降解条件对日落黄脱色率的影响。结果表明，控制电解电压为10 V，对含有3.0 g·L-1氯化钠的日落黄溶液(7.0 g·L-1，pH 7.24)进行电解处理10 min后，脱色率可达到93.96%。利用电化学原理在FTO导电玻璃上电解降解日落黄的这项工艺为今后实际开发应用的可行性提供了实验支撑。