基于FTO导电玻璃的碱性品红脱色研究

陈瑞榕，陈毅挺，林鑫涛，叶铭琼，陆秀丽，田文锠

(闽江学院 海洋学院，福建 福州 350108)

碱性品红(结构式如图1所示)为三苯甲烷型染料，其结构中的苯环对生物降解有着抑制作用，直接进入水体会产生大面积的染色. 目前碱性品红的降解脱色方法主要有吸附法[1-3]、超声法[4]、光催化法[5-7]、光电催化法[8]、芬顿法[9]、微波法[10-11]、生物降解法[12]等. 而电化学法具有使用设备较为简单、操作条件容易控制、处理有机染料废水的氧化能力强等优势，在处理印染废水、电镀废水等应用领域得到越来越多的关注，各种新型电极材料层出不穷[13-15]. 试验以FTO导电玻璃作为阳极、石墨电极作为阴极电解模拟碱性品红废水，利用电解产生的强氧化性羟基自由基与甲基橙发生氧化还原反应而使碱性品红脱色.

图1 碱性品红结构式Fig. 1 Structural formula of basic fuchsine

1 试验部分

1.1 仪器与试剂

紫外可见分光光度计(UV-2450，日本岛津)；数字稳压稳流电源(WS-YL，南京桑力电子设备厂)；酸度计(pH 700，新加坡优特公司).

碱性品红购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司；FTO导电玻璃(DHS-FTO22-8，大连七色光太阳能科技开发有限公司)；氯化钠、硝酸钠、硫酸钠购自国药集团化学试剂有限公司；氢氧化钠购自上海久亿化学试剂有限公司；盐酸购自西陇化工股份有限公司；无水乙醇购自天津市福晨化学试剂厂；所用试剂未注明的均为分析纯，试验用水为去离子水.

1.2 试验方法

以FTO导电玻璃作为阳极，石墨棒为阴极，施加一定电压电解碱性品红溶液，通过检测其在544 nm处的吸收值来确定碱性品红的脱色率，其脱色率计算公式[15]为：

(1)

式中：A0为碱性品红初始吸光度；A1为碱性品红降解后的吸光度.

2 结果与讨论

2.1 碱性品红的标准曲线与吸收光谱

考察了碱性品红溶液在波长为300～600 nm处的紫外吸收光谱,结果如图2所示. 由图2可见，碱性品红在544 nm处有一个明显的特征峰. 将碱性品红暴露于自然光下2天，该吸收峰的位置和强度没有明显改变. 通过电化学降解，该峰的吸光度明显下降，所以选择544 nm为降解前后的监测波长.

图2 碱性品红的紫外可见吸收光谱Fig. 2 UV-vis spectra of basic fuchsine

2.2 电解质种类对碱性品红脱色率的影响

配制质量分数为 0.035 mol/L 的氯化钠、硝酸钠、硫酸钠的碱性品红溶液(0.03 g/L，pH 7.0)，在电压为9 V下进行电化学降解20 min，测定其脱色率，结果如图3所示.

图3 不同电解质对碱性品红脱色率的影响(1) 氯化钠, (2) 硝酸钠, (3) 硫酸钠Fig. 3 Effect of different electrolytes on decolorization rate of basic fuchsine

由图3可见，当电解质为氯化钠时，电化学降解碱性品红的效果明显好于硫酸钠，降解速度明显好于硝酸钠. 可能原因是以NaCl为电解质时，电解质发生反应生成氧化性很强的活性氯，从而对反应有促进作用[16]. 因此本文以氯化钠为碱性品红电化学降解的电解质.

2.3 电解质浓度对碱性品红脱色率的影响

配制质量浓度分别为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5 g/L NaCl的碱性品红溶液液(0.03 g/L，pH 7.0)，以9 V为电解电压对碱性品红溶液进行电化学降解，结果如图4所示.

图4 NaCl浓度对碱性品红脱色率的影响Fig. 4 Effect of concentration of NaCl on decolorization rate of basic fuchsine

由图4可见，当电解质的溶度不断升高时，碱性品红溶液的脱色率随着溶液的溶度先升高后降低，其转折点是溶液中氯化钠溶度为2.0 g/L处. 经探究得出以下几点原因：可能是随着氯化钠浓度的升高，离子浓度随之增高，提高了溶液中的导电性，从而使电解效果变好. 而当氯化钠溶度过高时，过剩的氯离子会抑制其电化学降解碱性品红过程[17]，因为过量的氯离子会吸附在电极表面，从而使碱性品红与电极表面的接触面变少，导致碱性品红不能很好的与电极表面接触，抑制了其电化学反应，所以降解效果变差. 结合以上原因，我们得出电解质氯化钠的最佳溶度为2.0 g/L.

2.4 pH值对碱性品红脱色率的影响

试验结果表明，环境的酸碱度对碱性品红的脱色率影响不大，电解20 min后，不同酸度下的脱色率均可达到90%以上，因此确定溶液的酸度控制为7.0.

2.5 外加电解电压对碱性品红溶液降解的影响

配置质量浓度为2.0 g/L的氯化钠的碱性品红溶液(0.03 g/L，pH=7)，在外加电压为1、3、6、9、12 V下分别降解20 min，观察其碱性品红的脱色率情况，其降解效果如图5所示.

图5 电解电压对碱性品红脱色率的影响Fig. 5 Effect of electrolysis voltage on decolorization rate of basic fuchsine

由图5可见，当电压越来越大时，碱性品红的电化学降解效果也更好，这是因为在起始阶段氯离子浓度比较大，其对电化学降解过程有着很大的负面影响. 随着电解电压的增大，可以将氯离子转化，从而减小对降解过程的影响. 但在外加电压超过9 V后，其碱性品红的降解效果变化不大，甚至降解效果开始变差，并出现由于外加电压过大，超过FTO导电玻璃所能承受的程度，导致FTO导电玻璃腐蚀. 并且相比电压6 V、电解20 min，电压9 V、电解10 min就能达到同样效果，依据电解电压越高其电解速率越快的原理，本试验选择的最佳外加电压为9 V.

2.6 试验的重复性

在上述所得的最佳条件下，对数据进行重复性试验. 即在外加电压为9 V的条件下，电解含有氯化钠(2.0 g/L)的碱性品红溶液(0.03 g/L，pH=7)20 min，并重复5次，发现5组数据的脱色率都能达到92%以上，证明基于FTO导电玻璃的碱性品红染料脱色处理工艺具有一定的可行性和应用性.

3 结论

考察了碱性品红浓度、外加电解电压、支持电解质、电解质浓度、碱性品红溶液浓度、环境pH等因素对碱性品红脱色率的影响. 试验结果表明，以FTO 导电玻璃为阳极，使用2.0 g/L的氯化钠作为电解质，环境pH值控制为7.0，在电解电压为9 V条件下电化学降解20 min，碱性品红脱色率可达到92%以上.