РАЗЛОЖЕНИЕ ОРГАНИЧЕСКИХ КРАСИТЕЛЕЙ В ИХ ВОДНЫХ РАСТВОРАХ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РАЗРЯДОВ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ
Аннотация
В обзорной работе рассматриваются процессы деградации органических красителей в их водных растворах под действием различных типов разрядов атмосферного давления. Эти процессы имеют важное значения для решения экологической задачи, связанной с очисткой воды от органических загрязнений. Дается краткое описание типов разрядов, используемых для этих целей - диэлектрического барьерного разряда, импульсного коронного разряда, разряда скользящей дуги, тлеющего разряда постоянного тока, диафрагменного разряда, электролиза контактным тлеющим разрядом. Приводятся электрические параметры разрядов – напряжения, токи, вкладываемые мощности. Анализируются результаты по степени деградации более 30 типов красителей в разных типах разрядов. Обсуждаются особенности сравнения разных типов разрядов по их энергетической эффективности процесса деградации – энергии, затрачиваемой на разложение одного грамма красителя. Показывается, что для корректного сравнения результатов по эффективности разложения в разных типах разрядов требует задания, по крайней мере, одинаковой удельной мощности разряда, одинаковой начальной концентрации красителя и одного объема обрабатываемого раствора. Рассматриваются кинетические закономерности процесса разложения и влияние на них различных факторов – начальной концентрации красителя, мощности разряда, рН раствора, строения молекул красителя. Показано, что в большинстве случаев кинетика разложения описывается уравнением первого кинетического порядка по концентрации красителя. Обсуждаются возможности ускорения деградации с использованием гомогенных и гетерогенных катализаторов. Анализируются возможные механизмы протекающих процессов и участие в них активных частиц, образующихся в растворе под действием разряда (радикалов ОН, НО2, озона и других).
Литература
Clements J.S., Sato M., Davis R.H. Preliminary investigation of prebreakdown phenomena and chemical reactions using a pulsed high-voltage discharge in water. IEEE Tran. Ind. Appl. 1987. V. IA-23. N 2. P. 224-225. DOI: 10.1109/TIA.1987.4504897.
Rybkin V.V., Shutov D.A. Atmospheric-pressure electric discharge as an instrument of chemical activation of water solutions. Plasma Phys. Rep. 2017. V. 43. N. 11. P. 1089–1113. DOI: 10.1134/S1063780X17110071.
Shukurov A. L., Manukyan A. S., Shutov D. A., Rybkin V. V. Physical and chemical properties of plasma of a con-stant current discharge with a liquid cathode. Izv.vuzov. Chemistry and chemical technology. 2016. V. 59. N 12. P. 4-16. DOI: 10.6060/tcct.20165912.5413.
Vanraes P., Nikiforov A.Yu., Leys C. Plasma Science and Technology - Progress in Physical States and Chemical Reactions. Chap. 16. In: Electrical Discharge in Water Treatment Technology for Micropollutant Decomposition. 2016. Wiley. DOI: 10.5772/61830.
Tichonovas M., Krugly E., Racys V., Hippler R., Kauneliene V., Stasiulaitiene I., Martuzevicius D. Degra-dation of various textile dyes as wastewater pollutants under dielectric barrier discharge plasma treatment. Chem. Eng. J. 2013. V. 229. P. 9–19. DOI: 10.1016/j.cej.2013.05.095.
Cadorin B.M., Tralli1 V., Ceriani E., Otavio L., Benetoli B., Marotta E., Ceretta C., Debacher N.A., Paradisi C. Treatment of methyl orange by nitrogen non-thermal plasma in a corona reactor: the role of reactive nitrogen species. J. Haz-ard. Mater. 2015. V. 300. P. 754-764. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2015.08.009.
Brisset J-L., Benstaali B., Moussa D., Fanmoe J., Njoyim-Tamungang E. Acidity control of plasma-chemical oxidation: applications to dye removal, urban waste abatement and microbial inactivation. Plasma Sour. Sci. Technol. 2011. V. 20. N 3. P. 034021. DOI: 10.1088/0963-0252/20/3/034021.
Ghodbane H., Hamdaoui O., Vandamme J., Van Durme J., Vanraes P., Leys C., Nikiforov A.Yu. Degradation of AB25 dye in liquid medium by atmospheric pressure non-thermal plasma and plasma combination with photocatalyst TiO2. Open Chem. 2015. V. 13. N 1. P. 325–331. DOI: 10.1515/chem-2015-0040.
Stara Z, Krcma F., Nejezchleb M., Skalny J.D. Influence of solution composition and chemical of dye on removal of organic dye by DC diaphragm discharge in water solutions. J. Adv. Oxid. Technol. 2008. V. 11. N 1. P. 155–162. DOI: 10.1515/jaots-2008-0122.
Sen Gupta S.K. Contact glow discharge electrolysis: a novel tool for manifold applications. Plasma Chem. Plasma Process. 2017. V. 37. N 4. P. 897–945. DOI: 10.1007/s11090-017-9804-z.
Sugiarto A.T., Ohshima T., Sato M. Advanced oxidation processes using pulsed streamer corona discharge in water. Thin Solid Films. 2002. V. 407. N 1–2. P.174–178. DOI: 10.1016/S0040-6090(02)00036-6.
Sugiarto A.T., Ito S., Ohshima T., Sato M., Skalny J.D. Oxidative decoloration of dyes by pulsed discharge plasma in water. J. Electrostat. 2003. V. 58. N 1–2. P. 135–145. DOI: 10.1016/S0304-3886(02)00203-6.
Vujevic D., Koprivanac N., Bozic A.L., Locke B.R. The removal of direct orange 39 by pulsed corona discharge from model wastewater. Environ. Technol. 2004. V. 25. N 7. P. 791–800. DOI: 10.1080/09593330.2004.9619370.
Magureanu M., Mandache N.B., Parvulescu V.I. Degradation of organic dyes in water by electrical discharges. Plasma Chem. Plasma Process. 2007. V. 27. N 5. P. 589–598. DOI: 10.1007/s11090-007-9087-x.
Anderson C.E., Cha N.R., Lindsay A.D., Clark D.S., Graves D.B. The role of interfacial reactions in determining plasma–liquid chemistry. Plasma Chem. Plasma Process. 2016. V. 36. N 6. P. 1393–1415. DOI: 10.1007/s11090-016-9742-1.
Magureanu M., Bradu C., Piroi D., Mandache N.B., Parvulescu V. Pulsed corona discharge for degradation of methylene blue in water. Plasma Chem. Plasma Process. 2013. V. 33. N 1. P. 51–64. DOI: 10.1007/s11090-012-9422-8.
Cadorin B.M., Tralli V., Ceriani E., Otavio L., Benetoli B., Marotta E., Ceretta C., Debacher N.A., Paradisi C. Treatment of methyl orange by nitrogen non-thermal plasma in a corona reactor: the role of reactive nitrogen species. J. Hazard. Mater. 2015. V. 300. P. 754-764. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2015.08.009.
Jamroz P., Greda K., Pohl P., Zyrnicki W. Atmospheric pressure glow discharges generated in contact with flowing liquid cathode: production of active species and application in wastewater purification processes. Plasma Chem. Plasma Process. 2014. V. 34. N 1. P. 25–37. DOI: 10.1007/s11090-013-9503-3.
Liu W., Qiang Zhao Q., Wang T., Duan X., Li C., Lei X. Degradation of organic pollutants using atmospheric pressure glow discharge plasma. Plasma Chem. Plasma Process. 2016. V. 36. N 4. P. 1011–1020. DOI: 10.1007/s11090-016-9714-5.
Mok Y-S., Jo J-O., Lee H-J., Ahn H.-T., Kim J-T. Application of dielectric barrier discharge reactor immersed in wastewater to the oxidative degradation of organic contaminant. Plasma Chem. Plasma Process. 2007. V. 27. N 1. P. 51–64. DOI: 10.1007/s11090-006-9043-1.
Gao J., Yu J., Li Y., He X., Bo L., Pu L., Yang W., Lub Q., Yang Z. Decoloration of aqueous Brilliant Green by us-ing glow discharge electrolysis. J. Hazard. Mater. 2006. V. B137. P. 431-436. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2006.02.022.
Wanga X., Zhoua M., Jin X. Application of glow discharge plasma for wastewater treatment. Electrochim. Acta. 2012. V. 83. P. 501-512. DOI: 10.1016/j.electacta.2012.06.131.
Pfau S., Rutsher A., Wojaczek K. Das Ahnlichkeitsgesetz fur quasineutrale anisotherme Entladungassaule. Beitr. Plasma Phys. 1969. V. 9. N 4. P. 333-358. DOI: 10.1002/ctpp.19690090406.
Malik M.A. Water purification by plasmas: which reactors are most energy efficient? Plasma Chem. Plasma Process. 2010. V. 30. N 1. P. 21–31. DOI: 10.1007/s11090-009-9202-2.
Bobkova E.S., Rybkin V.V. Peculiarities of energy efficiency comparison of plasma chemical reactors for water purification from organic substances. Plasma Chem. Plasma Process. 2015. V. 35. N 1. P. 133–142. DOI: 10.1007/s11090-014-9583-8.
Urushigawa Y., Yonezawa Y. Chemical–biological interactions in biological purification system II – biodegradation of azo compound by activated sludge. Bull. Environ. Contam. Toxicol. 1977. V. 17. P. 289–302. DOI: 10.1007/BF01685553.
Delgado H.E., Elg D.T., Bartels D.M., Rumbach P., Go D.B. Chemical analysis of secondary electron emission from a water cathode at the interface with a nonthermal plasma. Langmuir. 2020. V. 36. N 5. P. 1156–1164. DOI: 10.1021/acs.langmuir.9b03654.
Locke B.R., Mededovic Thagard S. Analysis and review of chemical reactions and transport processes in pulsed electrical discharge plasma formed directly in liquid water. Plasma Chem. Plasma Process. 2012. V. 32. N 5. P. 875–917. DOI: 10.1007/s11090-012-9403-y.
Tomizawa S., Tezuka M. Kinetics and mechanism of the organic degradation in aqueous solution irradiated with gaseous plasma. Plasma Chem. Plasma Process. 2007. V. 27. N 4. P. 486–495. DOI: 10.1007/s11090-007-9063-5.
Lukes P., Locke B.R. Plasmachemical oxidation processes in a hybrid gas–liquid electrical discharge reactor. J. Phys. D: Appl. Phys. 2005. V. 38. N 22. P. 4074–4081. DOI: 10.1088/0022-3727/38/22/010.
Locke B.R., Shih K.-Yu. Review of the methods to form hydrogen peroxide in electrical discharge plasma with liquid water. Plasma Sour. Sci. Technol. 2011. V. 20. N 3. P. 034006. DOI: 10.1088/0963-0252/20/3/034006.
Shutov D.A., Ivanov A.N., Rakovskaya A.V., Smirnova K.V., Manukyan A.S., Rybkin V.V. Synthesis of oxygen-containing iron powders and water purification from iron ions by glow discharge of atmospheric pressure in contact with the solution. J. Phys. D: Appl. Phys. 2020. V. 53. N 44. P. 445202. DOI: 10.1088/1361-6463/aba4d7.
