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印染廢水含有染料、漿料、助劑、酸堿等復(fù)雜成分、濃度高、色度深,治理較難[1].近年來國內(nèi)外許多學(xué)者深入開展了低溫等離子體技術(shù)處理該類廢水的研究[2-5].Radu等[6]采用針板式電極降解水中蒽醌染料;Anto等[7]采用環(huán)筒式反應(yīng)器處理芝加哥天藍(lán)和甲基橙混合廢水發(fā)現(xiàn)兩環(huán)放電電極反應(yīng)器具有更大的等離子體流注通道;李勝利等[8]實驗發(fā)現(xiàn)高壓毫微秒脈沖產(chǎn)生的低溫等離子體可有效破壞染料發(fā)色基團(tuán),同時COD明顯下降,肯定了放電對染料分子的破壞和溶液可生物降解性的提高.王慧娟等[9]研究多針-板電極形式的高壓脈沖放電等離子體對酸性橙Ⅱ染料廢水脫色,發(fā)現(xiàn)脈沖電壓、系統(tǒng)脈沖頻率、電極間距以及溶液初始pH值和初始濃度等因素對溶液的脫色效果影響顯著.張若兵等[10]研究了雙向窄脈沖DBD放電水處理反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)以及放電特點,并對靛藍(lán)水溶液脫色進(jìn)行了實驗;胡祺昊等[11]使用棒-棒電極和多針-板電極系統(tǒng),研究了高壓脈沖放電對多種典型染料廢水的處理效果,實驗發(fā)現(xiàn)高壓脈沖放電所產(chǎn)生的臭氧、超聲以及紫外輻射等可以有效破壞廢水中染料分子發(fā)色基團(tuán)和染料分子中苯環(huán)以及奈環(huán),有利于提高染料溶液可再生性能.朱承駐等[12]研究了等離子在內(nèi)電極通氧條件下降解水相中茜素紅機(jī)理.通常單純采用低溫等離子體處理印染廢水主要是依靠等離子體產(chǎn)生的大量自由粒子、活性基團(tuán)、原子氧、以及射線等強(qiáng)氧化性和高自由能量特點,使液相中難降解有機(jī)物分子氧化斷鏈,變成小分子物質(zhì),再進(jìn)一步氧化為最終產(chǎn)物;因此要達(dá)到廢水排放標(biāo)準(zhǔn)要求需要較長放電時間,電能消耗較大,能量利用效率不高.因此對單純采用等離子體放電處理印染廢水方法需要進(jìn)一步完善和發(fā)展.
為減少電能消耗,并達(dá)到染料廢水深度脫色和高效降低COD目的,采用低溫等離子體協(xié)同絮凝劑方法,使印染廢水先經(jīng)等離子體放電預(yù)處理,使大分子有機(jī)物初步斷鍵變成小分子物質(zhì),然后在絮凝劑的絮凝和吸附作用下,捕集并分離
1·材料與方法
1.1實驗材料
活性紅B-4BD染料(上海億得化工有限公司);堿式聚合鋁絮凝劑(PAC,福州市華光凈水劑廠);重鉻酸鉀(合肥工業(yè)大學(xué)化學(xué)試劑廠);硫酸亞鐵(FeSO4·7H2O)(天津市標(biāo)準(zhǔn)科技有限公司);硫酸亞鐵銨(天津市大茂化學(xué)試劑廠);蒸餾水;壓縮空氣鋼瓶.
1.2儀器設(shè)備
主要實驗儀器:接觸調(diào)壓器(TDGC2,上海全力電器有限公司);功率測試儀;高壓電源(LECIP220V/60Hz,45kV/60Hz);高壓探頭(TektronixP6015A 1000×3.0Pf,100M?);數(shù)字式示波器(Tektronix TDS2014,100MHz 1Gs/s);79-3磁力恒溫攪拌器(上海市無線電元件廠);722光柵分光光度計(上海精密科學(xué)儀器有限公司);pHS-25A型pH計(上海大中分析儀器廠);COD常規(guī)分析儀器等.采用TU-1901雙光束紫外可見分光光度計(北京普析通用儀器有限責(zé)任公司)分析在相同實驗條件下(先放電、后加入PAC)不同放電時間后廢水的液相紫外-可見吸收光譜,如圖13.等離子體水處理反應(yīng)器:網(wǎng)板-網(wǎng)板式,自制,該反應(yīng)器外殼為圓筒型有機(jī)玻璃,內(nèi)徑45mm、壁厚6mm、高度60mm,容器底部外側(cè)貼厚度1.2mm鋁板網(wǎng)為陰極,容器內(nèi)部設(shè)置直徑42mm圓型鋁板網(wǎng)(厚度1.2mm)為陽極,結(jié)構(gòu)如圖1所示.
1.3實驗方法
實驗流程如圖2所示.
實驗裝置主要由高壓電源和低溫等離子體水處理反應(yīng)器組成.反應(yīng)器放置在磁力恒溫攪拌器上,其間用厚度10mm有機(jī)玻璃平板隔開,防止系統(tǒng)漏電.反應(yīng)器上部開口用硅橡膠塞密封,并預(yù)留3個開孔,分別設(shè)置進(jìn)氣管、出氣孔和陽極
為保證實驗用廢水原樣統(tǒng)一性,采用活性紅染料直接配制.將50mL染料廢水加入反應(yīng)器中,通入壓縮空氣并磁力攪拌.在室溫條件下接通電源(頻率60Hz),分別調(diào)節(jié)放電電壓、放電時間、電極間距等試驗參數(shù),以及染料廢水初始濃度.分別采用重鉻酸鉀法(GB11914-89)[13]和722光柵分光光度計測定廢水處理前后COD和吸光度,COD去除率=(COD0-COD)/COD0×100%;其中:COD0為未處理前原水COD值,COD為處理后水的COD值.脫色率=(A0-A)/A0×100%;其中:A0為未處理前原水吸光度,A為處理后水的吸光度.
2·結(jié)果與討論
2.1絮凝劑及加入順序影響
取初始濃度200mg(固體染料粉末)/L(水)(CODCr初始值572,下同)溶液50mL、放電間距8mm、空氣流量16L/h,輸入電壓40kV,放電時間15~30min,分別在放電前、后樣品中加入絮凝劑PAC(先配制成濃度20%PAC溶液,該溶液加入量為廢水體積5%,下同),快速攪拌后再緩慢攪拌,靜止1h分層,取上清液測試并計算不同實驗條件下(廢水不加絮凝劑僅放電、廢水放電前加絮凝劑、廢水放電后加絮凝劑)放電時間和溶液脫色率以及COD去除率關(guān)系見圖3.
從圖3可知,低溫等離子體和絮凝劑對處理印染廢水協(xié)同效果優(yōu)于單獨采用等離子體效果.雖然低溫等離子體對染料有機(jī)分子起到氧化分解作用,但加入適量絮凝劑PAC有助于已斷鍵染料小分子被網(wǎng)狀絮凝迅速吸附.
絮凝劑(PAC)加入順序?qū)?/span>脫色率和COD去除率也有一定影響;放電后加入PAC的脫色率和COD去除率基本優(yōu)于放電前加入PAC.放電前加入絮凝劑PAC等離子體會同時破壞絮凝劑分子鍵,使分子結(jié)構(gòu)變小
比較圖3a、圖3b可知,在相同實驗條件下,脫色率大于COD去除率.因為只要能破壞染料分子的發(fā)光基團(tuán)就可以脫色,而去除COD需要使有機(jī)物分子碎片進(jìn)一步氧化降解到終端產(chǎn)物CO2和H2O.印染廢水脫色率和COD脫除率均隨放電時間延長而增大,開始放電階段增幅較大,而后緩慢增大趨于穩(wěn)定.
2.2輸入電壓影響
初始濃度200mg/L溶液50mL、放電間距8mm、空氣流量16L/h,電壓范圍25~45kV,放電20min后加入絮凝劑PAC,輸入電壓和脫色率以及COD去除率關(guān)系如圖4所示.
由圖4知脫色率和COD去除率隨輸入電壓升高而增大,因為隨外加電壓升高,放電產(chǎn)生的等離子體密度也隨之增加,反應(yīng)體系獲得能量更高,放電過程產(chǎn)生的活性物質(zhì)和其他附加作用影響增大,染料分子受活性粒子有效碰撞幾率增大,溶液中有機(jī)物氧化反應(yīng)速率增加,脫色率和降解率隨之增高.放電后加入絮凝劑PAC效果優(yōu)于僅僅采用等離子體放電效果,該現(xiàn)象可進(jìn)一步證實絮凝劑和等離子體的協(xié)同效應(yīng).
2.3放電間距影響
放電電壓40kV、放電時間20min、放電間距分別為-10,-5,0,5,8,10mm(以反應(yīng)器中液體表面為0平面,液面以下為負(fù)值,液面以上為正值;液體表面距底板電極垂直距離72mm).放電間距與脫色率和COD脫除率關(guān)系如圖5所示.
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