高压脉冲放电等离子体处理活性红X－3B染料废水

许 开，彭会清，董冰岩

(1.武汉理工大学 资源与环境工程学院，湖北 武汉430070;2.江西理工大学 应用科学学院，江西 赣州 341000)

高压脉冲放电等离子体处理活性红X－3B染料废水

许 开1，2，彭会清1，董冰岩2

(1.武汉理工大学 资源与环境工程学院，湖北 武汉430070;2.江西理工大学 应用科学学院，江西 赣州 341000)

采用高压脉冲放电等离子体技术对活性红X－3B染料废水进行处理，考察了废水电导率、脉冲电压、脉冲频率、针板间距以及曝气量对处理效果的影响。实验结果表明，当废水电导率为200 μS/cm、脉冲电压为34 kV、脉冲频率为60 Hz、针板间距为15 mm、曝气量为12 L/h、处理时间为60 min时，活性红X－3B染料废水脱色率能达到 98.6%。

高压脉冲;等离子体;染料;活性红X－3B;脱色;废水处理

印染废水是工业生产发生量最大、危害严重且难以治理的三大废水(印染、造纸、高浓度有机废水)之一。传统的处理方法存在一定的缺陷，人们开始研究高效、低能耗、无二次污染的高级氧化技术。近些年来高级氧化技术用于废水处理的研究得到迅猛发展。高压脉冲等离子体技术作为新的高级氧化技术是20世纪80年代开始形成的难生物降解有毒污染物的处理技术。Clements等［1］采用高压脉冲等离子体高级氧化技术处理废水，高压脉冲产生的高能电子与H2O、O2等分子碰撞，发生激发、裂解或电离，生成·OH、O·等强氧化性自由基和 O3、H2O2

［1－2］等强氧化性的活性物质，这些自由基和活性物质可以分解污染物质，并且此过程是不可逆的，采用高压脉冲技术处理有机废水的报道很多［3－10］。偶氮染料绝大部分是芳香胺经重氮化后与酚类、芳香胺类及具有活性的亚甲基化合物耦合而成，并且被广泛应用于纺织、造纸、制药等工业。大多数偶氮染料有三致(致癌、致突变、致畸)作用，而且这些产品正朝着抗光解、抗氧化、抗生物降解的方向发展，从而使染料废水的处理难度加大［11］.

本工作采用针－板式高压脉冲放电等离子体技术处理活性红X－3B染料的模拟废水，考察了废水的电导率、脉冲电压、脉冲频率、针板间距以及曝气量对处理效果的影响。

1 实验部分

1.1 试剂和仪器

KCl:化学纯;活性红 X－3B染料:上海染化八厂。

721型分光光度计:青岛路博伟业环保公司;PT－A60型光电分析电子天平:常州亨托电子衡器有限公司;PHS－25型pH计:上海天普分析仪器有限公司;LZB10型玻璃转子流量计:常州市瑞明仪表厂;ACO－003型电磁式空气泵:上海禾汽化工科技有限公司;120型电导率分析仪:北京中西远大科技有限公司。

1.2 实验装置

本实验采用的高压脉冲电源为大连理工大学静电与特种电源，主要电气参数:脉冲为正极性;脉冲宽度小于等于500 nS;脉冲上升前沿小于等于100 nS;脉冲重复频率为0～200 Hz。

反应器装置为针－板式［12］，采用有机玻璃圆筒制成，放电极为医用的针电极，板电极为圆形不锈钢板(接地)。空气通过空气泵压入气室，从针孔压入废水体系中，流量由玻璃转子流量计测量。通过玻璃吸管用注射器从容器顶端采样。

1.3 分析方法

采用分光光度计在536 nm处测定废水的吸光度，计算废水脱色率。

2 结果与讨论

2.1 废水电导率对废水脱色率的影响

废水的电导率通过加入浓度为0.1 mol/L的KCl溶液调整。当脉冲电压为34 kV、脉冲频率为60 Hz、针板间距为15 mm、曝气量为12 L/h时，废水电导率对废水脱色率的影响见图1。

由图1可见，随着废水电导率的增加，脱色率减小。Clements等［1］研究认为随着溶液电导率的增加，等离子体的长度逐步减小。这恰好和脱色率随着电导率增加而减小的实验现象相符合。

2.2 脉冲电压对废水脱色率的影响

当废水电导率为 200 μS/cm、脉冲频率为60 Hz、针板间距为15 mm、曝气量为12 L/h、反应时间为60 min时，脉冲电压对废水脱色率的影响见图2。由图2可见:随着脉冲电压的增加，废水脱色率增大;当脉冲电压为34 kV时，废水脱色率达到95%以上;脉冲电压继续增加，废水脱色率增加不明显。这与用脉冲放电系统能量的计算公式所得的结果基本相符［13］。这是因为随着脉冲电压的增大，反应器内的能量增大，有利于自由基和活性物质产生，但当脉冲电压达到一定值后，继续增大电压反而降低能量利用率，增大了能量消耗［14］，从而使废水脱色率提高不明显。因此本实验最佳电压为34 kV。

图2 脉冲电压对废水脱色率的影响

2.3 脉冲频率对废水脱色率的影响

当废水电导率为 200 μS/cm、脉冲电压为34 kV、针板间距为15 mm、曝气量为12 L/h、反应时间为60 min时，脉冲频率对废水脱色率的影响见图3。

图3 脉冲频率对废水脱色率的影响

由图3可见:当脉冲频率为60 Hz时，废水脱色率最大;当脉冲频率继续增大时，废水脱色率减小。这是由于脉冲频率过高时，单次脉冲放电时间缩短，致使脉冲电源形成电容的能量在短时间不能迅速释放，从而能量利用效率有所降低［15］。因此本实验最佳脉冲频率为60 Hz。

2.4 针板间距对废水脱色率的影响

当废水电导率为 200 μS/cm、脉冲电压为34 kV、脉冲频率为60 Hz、曝气量为12 L/h时，针板间距对废水脱色率的影响见图4。由图4可见，针板间距从10 mm增大到15 mm时，废水脱色率有明显的增大，这是因为针板电极间距太小时，容易发生溶液被击穿，使得活性物质的浓度大大地降低，能量的利用率也下降，从而导致废水脱色率的降低;当针板间距增大到20 mm时，废水脱色率反而减小。针板间距是影响电极之间电场强度的一个重要参数，电场强度与电极间距成反比。随着针板间距的增大，电场强度降低，放电现象减弱，从而高能电子减少，由此碰撞解离生成的等离子体活性物质减少，导致废水脱色率降低。本实验最佳针板间距为15 mm。

2.5 曝气量对废水脱色率的影响

当废水电导率为 200 μS/cm、脉冲电压为34 kV、脉冲频率为60 Hz、针板间距为15 mm、反应时间为60 min时，曝气量对废水脱色率的影响见图5。由图5可见:当曝气量从8 L/h增大12 L/h时，废水脱色率增大;当曝气量为12 L/h时，废水脱色率达98.6%，这是因为随着空气的鼓入，溶液中的O2增加，O2在紫外光线和高能电子的作用下通过一系列的反应形成O·和·OH等强氧化性自由基等［15］。这些自由基能降解染料，从而有较好的废水脱色效果;当曝气量继续增大时，脱色率有下降趋势，这是因为曝气量太大时，气体流速过快，使一些活性物质在反应器内的停留时间变短，从而造成放电反应器中分子态的活性物质与污染物分子间的接触时间变短，使这部分活性物质的利用率下降，导致处理效果的减弱［12］。本实验最佳曝气量为12 L/h。

图5 曝气量对废水脱色率的影响

3 结论

采用针－板式高压脉冲放电等离子体技术处理含偶氮染料活性红X－3B的模拟废水，当废水电导率为200 μS/cm、脉冲电压为34 kV、脉冲频率为60 Hz、针板间距为15 mm、曝气量为12 L/h、处理时间为60 min时，废水脱色率达98.6%。

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Treatment of Reactive Red X-3B Dye Wastewater by High Voltage Pulse Discharge Plasma

Xu Kai1，2，Peng Huiqing1，Dong Bingyan2

(1.School of Resources and Environmental Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan Hubei 430070，China;
2.School of Application Science，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou Jiangxi 341000，China)

Reactive red X-3B dye wastewater was treated by high voltage pulse discharge plasma technology，and the affecting factors were investigated.The experimental results show that when the wastewater conductivity is 200 μS/cm，the pulse voltage is 34 kV，the pulse frequency is 60 Hz，the needle-plate spacing is 15 mm，the aeration flow is 12 L/h and the treatment time is 60 min，the decoloration rate of the wastewater can reach 98.6%.

high voltage pulse discharge;plasma;dye;reactive red X-3B;decoloration;wastewater treatment

X703.1

A

1006－1878(2011)03－0214－04

2010－11－27;

2011－01－10。

许开(1975—)，男，江西省九江市人，博士生，讲师，研究方向为水处理技术。电话0797－8312620，电邮xukai941@163.com。

(编辑 张艳霞)