超声波/铁炭微电解协同降解酸性红B

袁河清

(长沙环境保护职业技术学院,湖南长沙 410004)

超声波/铁炭微电解协同降解酸性红B

袁河清

(长沙环境保护职业技术学院,湖南长沙 410004)

以偶氮染料酸性红B为对象,考察超声与铁炭微电解降解体系的协同效应。结果表明,降解过程二者间存在显著协同作用(E=11.63);单因子实验发现当溶液初始pH值4～9时,酸性红B去除率随pH值增加而减小;铁炭体积比为2∶1,超声功率小于200 W时,降解率达到最大。温度对降解率影响不大。

超声波;微电解;酸性红B;协同效应

1 实验材料及设备

铁屑(片状铸铁,L×W约5 mm×5 mm,取于某机械厂切削废料,用前将其用10%NaOH浸泡10 min,自来水冲洗干净,再用 5%H2SO4清洗20 min,以除污、活化);柱状活性炭(Φ×L约3 mm ×5 mm,市售,用前将其置于200 mg/L酸性红B溶液中浸泡24 h,烘干待用,以消除吸附干扰。

pH计(868,美国热电);超声波反应槽(KQ-250E,昆山市超声仪器公司);紫外可见分光光度计(UV-4802H,尤尼柯公司)。

2 实验结果与讨论

2.1 各体系降解酸性红B的影响因素研究

2.1.1 初始pH值对酸性红B降解的影响

各取100 mL酸性红B溶液(100 mg/L)置于250 mL反应瓶中,分别调节初始pH值至3、4、5、7、9,再加活性炭(2.4 g)和铸铁屑(7.2 g),将反应瓶置于超声反应槽中,控制反应温度25℃,US功率250 W,同时设定空白对照,适时取样分析酸性红B的去除率,US、FCME单独作用下的酸性红B的去除率如图1所示,US/FCME协同作用下的酸性红B的去除率如图2所示。

图1 US、FCME单独作用下的酸性红B去除率

由图1可知,实验范围内,pH=4时去除率达到最高,US单独作用2 h后为4.79%,FCME单独作用下则为72.72%。而US/FCME协同作用下(图2),30 min后去除率提高趋缓,pH=4,酸性红B的去除率达到95%以上。两图对比可知,US/FCME协同体系对酸性红B的去除率远高于FCME、US单独作用效果之和,说明二者在酸性红B的降解中存在协同作用。

图2 US/FCME协同作用下的酸性红B去除率

因酸性条件可加大微电池电位差,促进电极反应速度,有利于铁炭原电池反应[8],降低pH值可使水溶性的新生[H+]和[Fe2+]含量较高,更重要的是阴极产生的大量中间态活性氢[H]具有强还原作用,李辉[9]等证实[H]能改变废水中许多有机物的结构和特性,具有使有机物发生断链、开环等作用。

同时因pH可影响酸性红B在水中的分布形态,导致不同pH条件下酸性红B的降解效率不同[3]。pH较小时酸性红B主要以分子形式存在,接近空化泡气液界面的可蒸发进入泡内,其既可在空化泡内直接热解,又可与液相中·OH发生氧化反应。当溶液的pH较大时(大于酸性红B的平衡常数),酸性红B发生电离,主要以离子形式存在于溶液中,其仅能在液相中同·OH发生氧化反应,降解效果较低。

对图1、图2用拟一级反应动力学方程拟合,得到不同pH值条件下酸性红B的降解动力学常数(列于表1),考察范围初始pH=4时反应速率常数最大。

西方艺术人类学名家思想的研究，可以使我们系统地了解这些西方艺术人类学大师的学术历程、思想渊源、研究方法和民族志案例，更为深入地与他们进行思想上的交流与对话，以此反观我们的研究，对当下中国艺术人类学的研究具有一定的参考价值和借鉴意义。

表1 不同pH值条件下的反应动力学常数k

2.1.2 铁炭比对酸性红B降解的影响

酸性红B溶液初始浓度100 mg/L,初始pH= 4,US功率250 W,25℃条件下,考察铁炭比对降解效果的影响(如图3所示)。由图3可见,酸性红B去除率受铁炭比影响显著,铁炭比2∶1时FCME和US/FCME去除率较优,反应2 h后去除率分别为70.20%、98.73%,US存在可强化去除率。对图3数据采用拟一级反应动力学方程拟合,得到不同铁炭比下酸性红B的降解动力学常数(列于表2)。

图3 铁炭体积比对去除率的影响

表2 不同铁炭体积比条件下的反应动力学常数

2.1.3 US功率对酸性红B降解的影响

酸性红B溶液(浓度100 mg/L)在初始pH=4,铁炭比2∶1,25℃条件下,考察US功率对降解效果的影响(如图4所示),可见超声波功率为200 W时US/FCME体系的降解效果较好,功率的增大和减小都使去除率略有下降。

图4 超声功率对去除率的影响

2.1.4 反应温度对酸性红B降解的影响

在酸性红B溶液(100 mg/L)初始pH=4,铁炭比2∶1,US功率200 W条件下,考察温度对降解效果的影响(如图5所示)。可见,温度上升,酸性红B去除率略有升高。对于一般的化学反应,反应温度升高,反应体系中分子平均动能增高,反应速率加快。对图5数据采用拟一级反应动力学方程拟合,得到相应的反应动力学常数(列于表3)。

图5 温度对去除率的影响

表3 不同温度下的反应动力学常数

2.2 US与FCME的协同作用分析

酸性红B溶液(100 mg/L)在初始pH=4,铁炭比2∶1,US功率200 W的条件下,分别采用US、FCME及US/FCME协同体系降解酸性红B,得到降解曲线(如图6所示)。由图6可知,单独采用US和FCME工艺,酸性红B的降解率随时间虽有增加,但降解率很小,经 2 h反应,降解率分别只有4.79%和68.72%,而在US/FCME协同系统中,酸性红B的降解率明显提高,反应2 h,降解率达到了99.54%。US/FCME的降解率高出 FCME与US的降解率之和,说明二者协同效应明显,US空化效应[10]可产生的高温(约5 000 K)、高压(约5×107Pa)的空化泡,在酸性红B体系中,空化泡崩灭时的强大的流体力学剪切力,不仅会使酸性红B分子主键上的炭键产生断裂,产生自由基引发各种反应,同时US的热效应(声波转化而成)以及对颗粒表面的冲刷效应对有机物的去除及FCME的有效运行也不容忽视。

以表观一级反应动力学方程拟合酸性红B在三种工艺中的降解过程,拟合的表观一级反应动力学常数k列于表4。表4中,kUS、kFCME、kUS/FCME分别表示酸性红B在US,FCME和US/FCME三种工艺中的降解速率常数k。由表4可知,在US/FCME和FCME条件下所拟合的速率常数相关系数较高,表明酸性红B在这两种工艺下的降解反应符合表观一级动力学,其协同因子E=kUS/FCME/(kUS+kFCME) =11.63。

图6 不同体系下酸性红B的降解效果

表4 三种工艺下酸性红B的降解速率常数

3 结 论

以酸性红B为对象,考察超声与铁炭微电解降解体系的协同效应。结果表明,降解过程二者间存在显著协同作用(E=11.63);单因子实验发现当溶液初始pH值4～9时,酸性红B去除率随pH值增加而减小;铁炭体积比为2∶1,超声功率小于200 W时,降解率达到最大,温度对降解率影响不大。

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Synergetic Degradation of Acid Red B by Ultrasound/ Iron-Carbon Micro Electrolysis

YUAN He-qing
(Changsha Environmengtal Protection College,Changsha4100014,China)

The synergetic effect of ultrasound(US)/iron-carbon micro electrolysis(FCME)system was investigated on the case of degradation of Acid Red B.The research results indicated that a significant synergistic effect existed between US and FCME(E=11.63)in the degradation process.The single factor experiments were conducted and the related results showed the removal rate of Acid Red B was inverse proportion to the pH whose initial value ranged in 4～9.The degradation rate reached the summit in the condition that the volume ratio of iron to carbon was 2∶1 and ultrasonic power below 200 W and the reaction temperature exhibited little influence on it.

ultrasound;micro electrolysis;Acid Red B;synergetic effect

TG156.96

A

1003-5540(2011)03-0052-04

袁河清(1975-),女,工程师,实验师,主要从事化工研究工作。

2011-05-06