低温等离子体降解水中活性蓝160影响因素和动力学研究*

刘汇源，金 华，姜 陆，耿 菁，潘立军，冯景伟

(合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009)

近年来，染料废水污染对环境的影响越发严重，染料废水的处理引起了国内外学者的广泛关注，而染料本身具有有机物浓度高、色度深、污染物组分差异大等特点，加大了其治理的难度。目前染料废水治理的方法主要有吸附法、膜技术法、高级氧化法和生物处理法等[1]，其中，高级氧化技术由于具有设备简单、反应速度快、对废水中有机污染物降解能力强等优势[2]，在废水治理领域的研究十分活跃。低温等离子体是高级氧化技术的一种，本实验尝试采用低温等离子体降解水中染料，以活性蓝160染料为研究对象，探讨放电功率、空气流量、pH值以及染料初始浓度对活性蓝160降解的影响，同时对活性蓝160降解过程动力学进行研究。

1 实 验

1.1 试剂和仪器

实验试剂：活性蓝160、硫代硫酸钠、盐酸、氢氧化钠等。

实验仪器：CTP-2000K高压电源，南京苏曼电子有限公司；UV-5500PC紫外分光光度计，上海元析仪器有限公司；PHS-3C pH计，上海仪电科学仪器股份有限公司。

1.2 降解实验

采用高压放电方式产生低温等离子体，将一定浓度的活性蓝160溶液置于低温等离子体反应器中，调节放电功率、空气流量，接通高压电源，开展低温等离子体降解活性蓝160实验。实验过程中每2 min取样一次，所取出的样品加入反应终止剂硫代硫酸钠终止反应，采用紫外可见分光光度计在617 nm处测其吸光度，根据标准曲线计算样品活性蓝160浓度。

2 结果与讨论

2.1 放电功率对活性蓝160降解的影响

图1为初始pH 7.0、活性蓝160初始浓度60 mg/L、空气流量56 L/h时，不同放电功率对活性蓝160降解的影响。由图1可知，活性蓝160的降解率随着放电功率的增大而增大。在放电功率为15 W，12 min时活性蓝160的降解率为49.2%，而当放电功率提高至30 W时，活性蓝160的降解率为97.4%，这表明放电功率越大，活性蓝160降解效率越快。采用伪一级动力学对各条件下的活性蓝160的降解情况进行拟合[3-4]，结果如表1所示。由表1可知，随着放电功率增大，反应速率常数k值逐渐增大，30 W的反应速率常数是15 W的近十倍，45 W和30 W的反应速率常数相差不大。这是由于当其他因素一定时，放电功率升高，低温等离子体反应器内产生更多的高能电子和活性基团，从而使活性物质与活性蓝160分子的反应几率增加，进而提高了活性蓝160的降解率[5]。放电功率30 W和45 W时，两者的降解率趋势一致，且在8 min后两者降解率几乎相同，这是由于放电功率过大导致部分H2O2和O3分解[6]。

图1 放电功率对活性蓝160降解的影响

表1 不同影响因素下伪一级降解动力学的动力学参数

2.2 空气流量对活性蓝160降解的影响

图2为初始pH 7.0、活性蓝160初始浓度60 mg/L、放电功率30 W时，不同空气流量对活性蓝160降解的影响。空气流量从16 L/h升高到36 L/h时，随着空气流量的增加，活性蓝160降解率呈现出明显的上升趋势。空气经高电压击穿后会产生强氧化性的活性物质如O3、H2O2等，这些强氧化性的活性物质可以有效氧化分解活性蓝160，随着空气流量的增加 O3和H2O2的浓度也在增加，有利于活性蓝160的降解[7]。随着空气流量的增大，低温等离子体反应器内活性蓝160溶液的紊流程度增加，气泡分布也较为均匀，气泡量和紊流程度的增加，使得放电生成的自由基与活性粒子能与活性蓝160分子混合的更充分[8]，从而提高了活性蓝160的降解率。空气流量为36 L/h和56 L/h时的去除率无显著差异，可能的原因是：虽然提高空气流量增加了活性物质的数量和溶液的稳定程度，但是由于过高的空气流量降低了活性物质与活性蓝160的接触时间，进而整体表现为两种空气流量下活性蓝160的去除率差异不大。伪一级动力学方程拟合结果显示(表1)，空气流量为36 L/h时的k值是16 L/h时的1.6倍；空气流量为36 L/h和56 L/h时的反应速率常数差异不大。

图2 空气流量对活性蓝160降解的影响

2.3 pH对活性蓝160降解的影响

图3 初始pH对活性蓝160降解的影响

2.4 活性蓝160初始浓度对其降解的影响

图4 活性蓝160初始浓度对其降解的影响

图4为初始pH 7.0、放电功率30 W，空气流量56 L/h、不同染料初始浓度对活性蓝160降解的影响。一般而言，在相同的实验条件下，输入反应器的能量是一定的，由高压放电产生的活性物质数量也基本相同，因此，当污染物的浓度较高时，污染物产生的降解产物会竞争与活性物质反应，导致污染物的降解率降低[12-14]。然而，由图4可知，不同活性蓝160初始浓度的降解率曲线十分接近，染料初始浓度对活性蓝160的降解影响较小，这可能是由于此实验条件下低温等离子体产生的活性物质数量足够多，污染物的降解产物与污染物竞争活性物质的程度并不明显。伪一级动力学拟合结果也表明(表1)，反应速率常数k值随活性蓝160初始浓度变化并不显著。

3 结 论

(1)随着放电功率的增大，活性蓝160的降解率增大，反应速率常数k值逐渐增大，但在功率较高时，随着功率增加，k值变化不大。

(2)在较低空气流量时(16 L/h、36 L/h)，随着空气流量的增大，活性蓝160的降解率逐渐提高，反应速率常数k值逐渐增大；在较高空气流量时(36 L/h，56 L/h)，反应速率常数k值无显著性差异。

(3)随着溶液初始pH的增大，活性蓝160的降解率增大，碱性条件有利于活性蓝160的降解，反应速率常数k值在pH为10时达最大值。

(4)活性蓝160初始浓度其降解率影响较小，反应速率常数k值随活性蓝160初始浓度的变化不显著。