鄭國(guó)才，陳毅挺

(1.閩江學(xué)院海洋學(xué)院，福建 福州 350108；2. 綠色材料與化工福建省高校工程研究中心，福建 福州 350108；3. 福建省中國(guó)漆新型材料工程研究中心，福建 福州 350108)

日落黃(圖1)，由對(duì)氨基苯磺酸重氮化后與薛佛氏鹽偶合制得，是一種合成著色劑，用于食品、化妝品和藥品等領(lǐng)域[1-3]。作為一種橙色偶氮染料，日落黃若在生產(chǎn)或使用過(guò)程中進(jìn)入水體，將對(duì)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重的污染。因此需要開(kāi)發(fā)一種效率高、成本低和能耗少的處理方法，以減輕其對(duì)生態(tài)環(huán)境和人體健康的影響[4-7]。

圖1 日落黃結(jié)構(gòu)式

目前，日落黃的處置方式主要有物理法[8]、光催化法[9-11]、生物法[12]和電化學(xué)法[13-15]等。由于電化學(xué)法具有裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、運(yùn)轉(zhuǎn)簡(jiǎn)單易自動(dòng)化、操作維護(hù)方便和氧化還原能力強(qiáng)等特點(diǎn)，如今已廣泛應(yīng)用于染料廢水的降解脫色處理。根據(jù)電化學(xué)原理，本研究采用FTO導(dǎo)電玻璃和鉑絲分別作為電解裝置的陽(yáng)極和陰極，通過(guò)電化學(xué)法降解處理日落黃廢水，并探討各種影響因素如電解質(zhì)種類與溶度、外加電解電壓等因素對(duì)日落黃溶液脫色率的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要試劑與儀器

日落黃(分析標(biāo)準(zhǔn)品，阿拉丁)；磷酸(AR，上海品杰化學(xué)試劑有限公司)；乙酸(AR，中國(guó)化學(xué)試劑研究所)；氯化鈉、硝酸鈉、硫酸鈉、硼酸(AR，上海久億化學(xué)試劑有限公司)；去離子水(自制)。

BS-214D型電子分析天平(北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司)；pH/ISE-828型測(cè)試儀(美國(guó)奧立龍)；WS-YL型數(shù)字穩(wěn)壓穩(wěn)流電源(南京桑力電子設(shè)備廠)；722型可見(jiàn)分光光度計(jì)(上海光譜儀器有限公司)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

將日落黃溶液裝于3 cm的比色皿中，置于可見(jiàn)分光光度計(jì)暗盒里，施加電壓進(jìn)行電化學(xué)降解，每隔一定時(shí)間檢測(cè)日落黃溶液在最大吸收波長(zhǎng)481 nm的吸收值，其降解效果脫色率詳見(jiàn)如下計(jì)算式：

R/%=(A0-A)/A0×100%

式中，A0為日落黃處理前的吸光度；A為日落黃處理后的吸光度；R為日落黃的脫色率。

2 結(jié)果與討論

2.1 電解質(zhì)種類對(duì)日落黃脫色率的影響

實(shí)驗(yàn)分別配置含不同電解質(zhì)(7.3 g·L-1氯化鈉、10.6 g·L-1硝酸鈉、17.8 g·L-1硫酸鈉)的日落黃溶液(7.0 g·L-1，pH 7.24)，并通過(guò)電源施加10 V的電壓，電化學(xué)電解30 min后于481 nm測(cè)定不同時(shí)刻的脫色率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果詳見(jiàn)圖2。

圖2 不同電解質(zhì)對(duì)日落黃脫色率的影響

由圖2可知，氯化鈉、硝酸鈉和硫酸鈉3種電解質(zhì)對(duì)日落黃溶液的脫色均有效果。隨著電解時(shí)間增加，氯化鈉對(duì)電化學(xué)降解日落黃的效果明顯優(yōu)于硝酸鈉和硫酸鈉，可能是由于氯化鈉在電解脫色過(guò)程可生成氧化性強(qiáng)的活性氯，從而提升脫色效果[16]。同時(shí)，考慮到所用的氯化鈉價(jià)格便宜且用量少，故選用氯化鈉作為電解質(zhì)。

2.2 電解質(zhì)濃度對(duì)日落黃脫色率的影響

分別配制含有2、3、6、12、18、24和30 g·L-1氯化鈉的日落黃溶液(7.0 g·L-1，pH 7.24)，施加10 V的電解電壓，測(cè)定不同時(shí)刻日落黃溶液的脫色率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果詳見(jiàn)圖3。

圖3 氯化鈉濃度對(duì)日落黃脫色率的影響

從圖3可知，隨著氯化鈉濃度的提高，日落黃脫色率整體呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，當(dāng)氯化鈉質(zhì)量濃度為3.0 g·L-1時(shí)日落黃的脫色率最高。這應(yīng)該是由于電極表面的活性氯和羥基自由基的量隨著氯化鈉濃度增大而升高，從而使日落黃的脫色率顯著提升[16]；但當(dāng)氯化鈉濃度過(guò)高時(shí)，阻礙了日落黃擴(kuò)散到電極表面反應(yīng)[17]，導(dǎo)致了脫色率下降，故綜合考慮實(shí)驗(yàn)選擇氯化鈉質(zhì)量濃度為3.0 g·L-1。

2.3 外加電壓對(duì)日落黃脫色率的影響

對(duì)含有3.0 g·L-1氯化鈉的日落黃溶液(7.0 g·L-1，pH 7.24)，分別施加3、5、6、8、10、12 V的電解電壓，其日落黃的脫色情況如圖4所示。

圖4 電解電壓對(duì)日落黃脫色率的影響

從圖4可見(jiàn)，當(dāng)外加電壓逐漸增大時(shí)，日落黃的電解降解效果更好。當(dāng)外加電壓為10 V時(shí)，日落黃的脫色率最高，而電壓高于10 V后，脫色率有少許降低，可能是由于電壓過(guò)大，電流強(qiáng)度增大，電極表面的析氧副反應(yīng)加劇[18]，參與降解的有效面積減小，使得日落黃的脫色率下降。故選用10 V為脫色過(guò)程中的電解電壓。

2.4 初始pH對(duì)日落黃脫色率的影響

溶液pH的不同，會(huì)影響自由基的產(chǎn)生以及電極的性能[19]?？疾觳煌跏紁H對(duì)日落黃脫色率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果詳見(jiàn)圖5。

圖5 不同pH對(duì)日落黃脫色率的影響

從圖5可見(jiàn)，溶液酸堿度對(duì)日落黃脫色率效果具有一定的影響，當(dāng)pH為7.24與7.51時(shí)，日落黃的脫色率最高，考慮到中性溶液降解后對(duì)環(huán)境的影響小，故本實(shí)驗(yàn)選用的pH為7.24。

2.5 日落黃起始濃度對(duì)日落黃脫色率的影響

配制具有不同濃度的日落黃溶液，控制電解電壓為10 V，監(jiān)測(cè)日落黃溶液在481 nm的吸光度變化情況，從而得到不同起始濃度日落黃溶液的降解脫色率(圖6)。

圖6 日落黃起始濃度對(duì)日落黃脫色率的影響

從圖6可見(jiàn)，當(dāng)日落黃的初始濃度為5.0～7.0 g·L-1時(shí)脫色率相當(dāng)。而當(dāng)日落黃的初始濃度大于7.0 g·L-1后，脫色率有所下降?？紤]到在相同的電解時(shí)間下低濃度的日落黃的實(shí)際去除量要比高濃度下情況小得多[20]，故選擇處理的溶液中日落黃的初始濃度為7.0 g·L-1。

2.6 電解時(shí)間對(duì)日落黃脫色率的影響

控制電解電壓為10 V，對(duì)含有3.0 g·L-1氯化鈉的日落黃溶液(7.0 g·L-1，pH 7.24)進(jìn)行電解處理，其脫色率變化如圖7所示。

圖7 電解時(shí)間對(duì)日落黃脫色率的影響

從圖7可見(jiàn)，當(dāng)電解時(shí)間增加時(shí)，日落黃電解降解效果逐漸變好，這可能是隨著電解反應(yīng)的進(jìn)行，電極表面的羥自由基和活性氯的量不斷增大，從而提高了日落黃的脫色效果。當(dāng)電解時(shí)間高于10 min后，大部分的日落黃應(yīng)該已被降解，故日落黃脫色率趨于平緩。所以選擇電解時(shí)間為10 min。

2.7 重復(fù)性實(shí)驗(yàn)

在最佳降解條件下，即控制外加電壓為10 V，對(duì)含有3.0 g·L-1氯化鈉的日落黃溶液(7.0 g·L-1，pH 7.24)進(jìn)行電解處理10 min，進(jìn)行5次重復(fù)性試驗(yàn)，結(jié)果得到日落黃的脫色率為93.96%，其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.69%。而在不施加外加電壓的情況下，含有3.0 g·L-1氯化鈉的日落黃溶液(7.0 g·L-1，pH 7.24)在自然光條件下放置1 d，其481 nm的吸光度無(wú)明顯變化。綜上可知，使用該工藝處理日落黃溶液不需要加入化學(xué)氧化劑和還原劑，處理費(fèi)用低廉，且使用設(shè)備簡(jiǎn)單，脫色效果令人滿意。

3 結(jié)論

通過(guò)電化學(xué)法探究了日落黃在FTO導(dǎo)電玻璃上的電解實(shí)驗(yàn)工藝，考察了外加電壓、電解時(shí)間、溶液pH等降解條件對(duì)日落黃脫色率的影響。結(jié)果表明，控制電解電壓為10 V，對(duì)含有3.0 g·L-1氯化鈉的日落黃溶液(7.0 g·L-1，pH 7.24)進(jìn)行電解處理10 min后，脫色率可達(dá)到93.96%。利用電化學(xué)原理在FTO導(dǎo)電玻璃上電解降解日落黃的這項(xiàng)工藝為今后實(shí)際開(kāi)發(fā)應(yīng)用的可行性提供了實(shí)驗(yàn)支撐。