氮气对电晕放电等离子体降解甲基蓝的影响

• 作者: 何平 周世平 周磊 李刚 李苗 王彬 董发勤 霍婷婷
• 来源期刊: 光谱学与光谱分析
• 学科: 地球科学
• 关键词: 电晕放电等离子体 甲基蓝 含氮自由基 红外光谱 红外分峰 三维荧光光谱
• 年，卷（期）: 2018,（11）
• 页码范围: 3354-3361
• 页数: 8页
• 分类号: X661.1
• 字数: 4949字
• 语种: 中文
• DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2018)11-3354-08

摘要

电晕放电等离子体技术是近年发展起来的一种新型高级氧化工艺,因其处理效果好、操作简单、占地面积小的特点在印染废水处理领域得到了广泛应用.目前因大部分有机污染物的降解机理不详,该技术尚处于探索阶段.因此,为了尽早将电晕放电等离子体技术应用于工业印染废水的处理,不同污染物降解机理的研究对该技术的工业化和产业化应用具有重要意义.至今,电晕放电等离子体技术对研究较多的染料的降解效果均较好,然而,是否适合所有染料的降解有待进一步研究.采用电晕放电等离子体技术处理三苯甲烷类染料甲基蓝,研究了溶液的初始浓度对甲基蓝紫外-可见光谱中芳香环的降解率、发色基团吸光度变化的影响,测定了溶液的浓度、总有机碳(TOC)、总氮(TN)、pH值等指标随着放电时间的变化,并对其相关性进行了分析.结合紫外-可见光谱(UV-Vis)、三维荧光光谱(3D-fluorescence)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)三种光谱学手段分析了电晕放电降解甲基蓝过程溶液的颜色、荧光物质和官能团变化,分析了电晕放电降解甲基蓝30 min后生成的中间产物.结果表明:电晕放电等离子体降解甲基蓝过程,溶液的浓度随着放电时间的延长逐渐减小,表明该技术对甲基蓝溶液有一定的降解能力;降解过程高压电极放电击穿含有大量氮气的空气产生N,NO·,N2+等含氮高活性粒子,这些粒子通过扩散作用迁移至液相,使得溶液中TN含量在整个降解过程逐渐升高;另有部分含氮高活性粒子与钨钢针电极溶出的C元素键合生成发色的C=N双键,使得溶液中的总有机碳在放电5 min时有所升高.延长反应时间产生的高活性粒子与溶液中的有机物(甲基蓝及中间产物)继续作用,部分有机物矿化生成CO2,引起溶液中TOC含量的下降.电晕放电相同时间内产生的活性粒子数量相当,增大甲基蓝浓度,未被降解的甲基蓝分子越多,导致甲基蓝降解率的减小.电晕放电过程甲基蓝分子之间的聚合与发色C=N双键的生成共同促使甲基蓝发色基团吸光度在放电5 min时达到最大;且甲基蓝溶液的初始浓度越高,吸光度(As-A0)升高的越多.概括来说,甲基蓝结构中发色C=N双键的存在是电晕放电等离子体降解甲基蓝过程溶液颜色加深再变浅的主要原因.反应过程羟基自由基的消耗导致放电5 min时溶液的pH值升高;随着反应的进行溶液中生成的硝酸及小分子酸增强了溶液的酸性,导致pH值降低.三维荧光光谱结果表明,甲基蓝降解过程出现了三类明显的荧光峰,位于EX/EM=310～320/430～450,Ex/EM=240～250/320～340和EX/EM=280/340,分别代表腐殖酸类物质、芳香族蛋白质和溶解性微生物代谢副产物.甲基蓝溶液降解前的荧光物质主要为腐殖酸类,随着降解时间的延长,腐殖酸类物质首先降解生成了芳香族蛋白质,进一步降解产生可溶性微生物代谢副产物.比较电晕放电前后甲基蓝溶液的红外光谱图和红外分峰图发现,甲基蓝结构中N-H键3 432.8 cm-1处不对称伸缩振动峰红移了0.3 cm-1,烯烃和苯环上C—H键2 975.9 cm-1处的伸缩振动峰向高波数偏移了0.5 cm-1,1 638.7 cm-1处RCH=CHR的双键伸缩振动位置蓝移了3.2 cm-1,芳仲胺的C—N伸缩振动峰1 341.6cm-向高波数偏移了1.3 cm-1,磺酸基S=O的伸缩振动峰1 121.1和1 034.3 cm-1分别红移了3.8和13cm-1,甲基蓝结构中的环外C=C双键与C=N双键吸收峰消失,在1 692.4和1 400.4 cm-1处分别出现了C=O和N=O的伸缩振动吸收峰,产生了2,5-环己二烯-1,4-二酮、对硝基苯磺酸钠和芳香酮类等中间产物.该结果对于利用电晕放电等离子体技术处理甲基蓝废水具有重要的理论意义和实用价值.