双介质阻挡放电技术降解KN-B染料废水的研究

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随着染料工业的发展,染料的品种越来越多,并朝着抗光解、抗氧化、抗生物降解的方向发展,使得水质成分越来越复杂。染料废水处理普遍存在脱色困难、高浓度难降解有机物难以去除的问题。目前,国内外普遍采用以产生自由基为主的高级氧化技术来处理难降解染料有机废水。等离子体技术是一种新型的高级氧化技术,利用形成的高氧化活性粒子(如OH,H,H2O2,O3等)、紫外光辐射、高能电子轰击作用等多因素协同作用,可实现难降解染料废水色度和CODcr的高效去除。本文以典型的双偶氮染料——KN-B为研究对象,利用双介质阻挡放电技术来降解KN-B染料,获得双介质阻挡放电氧化降解KN-B的最优工程运行条件,揭示KN-B染料的降解机理,分析降解动力学及能量效率,阐明降解产物的可生化性及急性毒性,并采用双介质阻挡放电技术与SBR组合工艺处理实际染料废水,以期为等离子体技术处理难降解染料废水工业化进行有益的尝试,主要结论如下:(1)KN-B的去除率随着输入电压和输入功率的增大而增大,pH和电导率越低越有利于KN-B染料的降解;随着初始浓度的增大KN-B的去除率降低,但KN-B的去除绝对量却增大;(2)CO32-会明显地降低KN-B的去除率,且CO32-的浓度越大抑制作用越强;NO3--和SO42-不会影响KN-B的去除;低浓度的Cl-、Fe2+、Fe3+、Mn2+对KN-B的去除具有促进作用,高浓度则有抑制作用;单独的H2O2不能氧化降解KN-B染料,低浓度的H202可以促进KN-B的等离子体降解,高浓度则有抑制作用;表面活性剂DBS的加入对双介质阻挡放电技术降解KN-B具有抑制作用,但当DBS的浓度大于1mmol/L时,KN-B的去除率随着DBS浓度的增大而上升;其他染料的加入,会明显降低KN-B去除率;等离子体降解不同结构的染料的速率是不同,去除速率之间存在关系:分散蓝2BLN>活性艳红X-3B>活性黑KN-B>阳离子红;(3)浓度为100mg/L的KN-B染料,双介质阻挡放电氧化降解10min后,脱色率为98.76%,但CODcr和TOC的去除率只有52.51%和15.36%,KN-B染料的脱色率要比它的矿化率高。UV-Vis、IR和GC-MS分析表明,羟基自由基首先攻击电子云密度较高的偶氮基团,破坏KN-B的发色基团,2,3,8-三氨基-8-硝基-4,7二磺酸基-1-萘酚、磺酰基-乙基-磺酸基-对苯胺是最初的中间产物,并由此产生环酮类物质、萘环类物质、1,3-丁二烯基-1,4羧酸等中间产物,最终有乙酸的生成。在降解KN-B的过程中,羟基自由基是主要的氧化性物质,H2O2和O3均参与了液相中有机物的氧化反应;(4)随着放电氧化时间的增加,KN-B的可生化性逐步提高,反应10min后,B/C比从0.079提高到0.495; DeltaTox毒性检测表明,降解过程中溶液的毒性大小呈现先增加后减少的趋势;(5)双介质阻挡放电技术对KN-B染料的氧化降解符合一级动力学模型,随着电源功率的升高,降解速率常数增大;在输入电压为65V、输入电流为0.92A、输入功率为60W的条件下,等离子体的输出功率为2.5296×103J/s;KN-B染料的去除量随着注入系统能量的增大而增大,当向等离子体系统中注入的能量为1.52×106J时,KN-B的去除量为0.99mg;(6)采用介质阻挡放电技术单独处理实际染料废水,降解10min后,废水在可见光区的吸收光谱逐渐消失,废水中的发色基团被破坏,废水的色度、CODcr、BOD5、TOC的去除率分别达到了89.13%、58.50%、16.13%、25.26%,B/C值由原来的0.0196提高到了0.397,说明双介质阻挡放电技术对实际的染料废水也具有一定的氧化处理效果;双介质阻挡放电技术和SBR组合工艺的色度去除率能由89.13%提高到95.25%,CODcr、BOD5分别达到了89.29%和64.55%,组合工艺对实际染料废水具有较好的处理效果。
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