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印染廢水含有染料、漿料、助劑、酸堿等復雜成分、濃度高、色度深,治理較難[1].近年來國內外許多學者深入開展了低溫等離子體技術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]采用環筒式反應器處理芝加哥天藍和甲基橙混合廢水發現兩環放電電極反應器具有更大的等離子體流注通道;李勝利等[8]實驗發現高壓毫微秒脈沖產生的低溫等離子體可有效破壞染料發色基團,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,發現脈沖電壓、系統脈沖頻率、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放電水處理反應器的結構以及放電特點,并對靛藍水溶液脫色進行了實驗;胡祺昊等[11]使用棒-棒電極和多針-板電極系統,研究了高壓脈沖放電對多種典型染料廢水的處理效果,實驗發現高壓脈沖放電所產生的臭氧、超聲以及紫外輻射等可以有效破壞廢水中染料分子發色基團和染料分子中苯環以及奈環,有利于提高染料溶液可再生性能.朱承駐等[12]研究了等離子在內電極通氧條件下降解水相中茜素紅機理.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生的大量自由粒子、活性基團、原子氧、以及射線等強氧化性和高自由能量特點,使液相中難降解有機物分子氧化斷鏈,變成小分子物質,再進一步氧化為最終產物;因此要達到廢水排放標準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一步完善和發展.
為減少電能消耗,并達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同絮凝劑方法,使印染廢水先經等離子體放電預處理,使大分子有機物初步斷鍵變成小分子物質,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(合肥工業大學化學試劑廠);硫酸亞鐵(FeSO4·7H2O)(天津市標準科技有限公司);硫酸亞鐵銨(天津市大茂化學試劑廠);蒸餾水;壓縮空氣鋼瓶.
1.2儀器設備
主要實驗儀器:接觸調壓器(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(上海精密科學儀器有限公司);pHS-25A型pH計(上海大中分析儀器廠);COD常規分析儀器等.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器:網板-網板式,自制,該反應器外殼為圓筒型有機玻璃,內徑45mm、壁厚6mm、高度60mm,容器底部外側貼厚度1.2mm鋁板網為陰極,容器內部設置直徑42mm圓型鋁板網(厚度1.2mm)為陽極,結構如圖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器組成.反應器放置在磁力恒溫攪拌器上,其間用厚度10mm有機玻璃平板隔開,防止系統漏電.反應器上部開口用硅橡膠塞密封,并預留3個開孔,分別設置進氣管、出氣孔和陽極
為保證實驗用廢水原樣統一性,采用活性紅染料直接配制.將50mL染料廢水加入反應器中,通入壓縮空氣并磁力攪拌.在室溫條件下接通電源(頻率60Hz),分別調節放電電壓、放電時間、電極間距等試驗參數,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同效果優于單獨采用等離子體效果.雖然低溫等離子體對染料有機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狀絮凝迅速吸附.
絮凝劑(PAC)加入順序對脫色率和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,使分子結構變小
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光基團就可以脫色,而去除COD需要使有機物分子碎片進一步氧化降解到終端產物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,放電產生的等離子體密度也隨之增加,反應體系獲得能量更高,放電過程產生的活性物質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,溶液中有機物氧化反應速率增加,脫色率和降解率隨之增高.放電后加入絮凝劑PAC效果優于僅僅采用等離子體放電效果,該現象可進一步證實絮凝劑和等離子體的協同效應.
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(以反應器中液體表面為0平面,液面以下為負值,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脫除率關系如圖5所示.
