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染料工业的生产废水已成为当前最主要的水体污染源之一,这类废水水量大,色度高,成分复杂,废水中含有有机染料,毒性强,难降解(BOD/CODcr小),pH值波动大,组分变化大,是目前废水治理中的难点之一。本文针对染料废水的特点,通过电催化氧化来改变染料分子的结构,研究了pH值、电解质种类和浓度、电压对染料废水降解的影响,得出降解染料废水的最佳工艺处理参数;通过测试染料的循环伏安曲线,考察了它们在RuO2-Ti电极上的电化学特性。以四种蒽醌类染料为模拟研究对象,对电催化氧化反应条件下,蒽醌类染料废水的降解机理与途径进行了较为深入地探讨,运用UV-Vis、HPLC和LC/MS等技术对降解产物进行结构定性,鉴定了部分相关中间产物和终产物,阐述了其降解机理和历程。得出以下主要结论:
1.蒽醌类染料废水在RuO2-Ti电极和Ti电极上的降解效果差别很大,RuO2-Ti电极的降解效果要远远高于Ti电极。在氯离子的存在下,所用RuOR-Ti电极对这几种蒽醌类染料催化电流有所增加。在阳极极化的电位范围内几种蒽醌类染料在RuO2/Ti电极上存在直接电氧化现象。RuO2/Ti电极对不同葸醌类有机物的电催化氧化能力基本相同。
2.电催化氧化能有效地对蒽醌类染料废水进行脱色降解。电极电位、氯化钠浓度、电解液的初始pH值是影响染料脱色及其芳环结构氧化降解的主要因素。选择槽电压为15V、初始pH为4.0和2.0、NaCl浓度为2.0g/L分别作为实验的最佳条件。电解15min后,茜素红溶液COD降解率可达到35.49%,脱色率可达到99.50%。电解100min后,五号兰溶液COD降解率可达到96.79%,脱色率可达到99.98%。
3.电催化氧化降解蒽醌类染料废水的机理为:羟基自由基·OH攻击染料分子的大共轭发色基团中不饱和共轭键,使其断裂,导致染料氧化分解,从而使染料分子脱色;降解过程中可能主要有染料分子脱去某个取代基后的中间产物和染色环结构破坏后生成的苯甲酸、邻苯二甲酸、对羟基苯甲酸、乙二酸等中间产物;
4.利用Chemoffice以基于量子物理的AM1分子轨道计算软件(MOPAC,Minimize Energy),对蒽醌类染料的分子构型进行优化,从分子结构的角度推测电催化氧化的环加成位置及中间产物的稳定性,与实验分析结果进行对比,进一步揭示了电催化氧化降解蒽醌类染料废水的机理和过程。