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Ferrous-Assisted Corona Plasma Decolorization of Acid Black 194 and Auramine O in a Continuous-Flow Recirculation System

本研究表明，在连续流循环装置中，由铁物种辅助的大气压电晕等离子体系统在90分钟内有效地实现了偶氮染料Acid Black 194和三芳基甲烷染料Auramine O超过97%的脱色率，其比能耗约为40–42 kWh m⁻³。

原作者： Erik Torres, Aarón Gómez, Pedro Guillermo Reyes, José Carlos Palomares, Joséfina Vergara, César Torres, Horacio Martínez

发布于 2026-08-31

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CC BY 4.0

原作者： Erik Torres, Aarón Gómez, Pedro Guillermo Reyes, José Carlos Palomares, Joséfina Vergara, César Torres, Horacio Martínez

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

用于染色织物的废水是最顽固的污染类型之一。用于纺织品的合成颜料被设计得具有极强的化学稳定性，以确保它们在衣服上不会褪色，但这种耐用性也使得它们在河流或处理厂中难以分解。当这些染料进入环境时，它们会阻挡阳光到达水下植物，并可能危害水生生物。传统的净水方法，如过滤或利用细菌，往往难以应对这些顽固的分子，或者会产生大量必须处置的污泥。科学家们转向了高级氧化工艺，即利用强大的化学反应来破碎这些分子，但寻找一种既有效又节能的方法仍然是一个挑战。一种极具前景的方法是使用一种被称为“等离子体”的电荷放电，它能产生一团高活性粒子云，能够攻击并拆解复杂的化学结构。

在最近的一项研究中，来自墨西哥的大学研究人员探索了一种通过添加一种简单的化学辅助剂来提高这种等离子体处理效率的方法。他们专注于两种截然不同的纺织染料：一种是含有被称为“偶氮基”特定化学键的酸性黑 194（Acid Black 194），另一种是基于三个芳香环的不同结构的奥拉明黄（Auramine O）。研究小组建立了一个系统，将含有这些染料的五升水连续泵入反应器中。在反应器内部，三个尖锐的钨针对准一块不锈钢板，产生了一种电晕放电——这是一种在液体表面上方空气中产生的稳定、无声的电光。这种放电会产生活性氧和氮物种，这些是不稳定的分子，它们会寻找并分解有机化合物。为了增强这一过程，研究人员在开始处理前，向溶液中加入了一小部分溶解在酸性溶液中的铁。铁起到了催化剂的作用，有助于将等离子体产生的活性物种转化为更强大的试剂，从而更具侵略性地攻击染料分子。

实验持续运行了九十分钟，水在处理区内循环往复。研究人员使用光传感器监测水的颜色，该传感器测量溶液在特定波长下的光吸收量。他们发现，加入铁溶液导致颜色立即出现了轻微下降，这可能是由于铁与染料之间发生了快速的化学反应。然而，真正的转变发生在等离子体开启之后。在处理过程中，两种染料的深色都显著褪去。到九十分钟结束时，含有酸性黑 194 的溶液失去了 98.66% 的颜色，而奥拉明黄溶液则失去了 97.74% 的颜色。水变得近乎透明，这种变化在肉眼观察下非常明显，原本深色的液体变成了透明溶液。

这种清洁过程的速度也被进行了测量。研究人员计算出，酸性黑 194 失去一半颜色大约需要 14 分钟，而奥拉明黄达到同一点则需要约 16 分钟。这表明，尽管两种染料具有不同的化学结构，但受铁辅助的等离子体系统能够以相似的效率降解它们。整个实验过程中，电气系统保持稳定，运行平均功率在黑色染料约为 139 瓦、黄色染料约为 134 瓦左右。处理每立方米此类水的所需能量被计算为：黑色染料约为 41 千瓦时，黄色染料约为 40 千瓦时。这些数据表明，该系统能够处理这项任务而不会消耗过多的电量，对于任何旨在投入实际应用的技术来说，这都是一个关键因素。

随着染料的分解，水中还发生了其他变化。溶液的酸度略有增加，从中性水平降至更偏酸性的状态，这是新化学副产物形成的常见迹象。此外，在最初加入铁时，水变得暂时浑浊，但随着处理的进行，这种浑浊度显著减轻，在结束时下降了 9al 0% 以上。这表明导致浑浊的颗粒要么被分解了，要么沉淀出了水。通过观察电晕放电发出的光，研究人员证实了等离子体正在产生预期的活性粒子，包括羟基自由基和激发态氮分子，这些正是负责化学分解的媒介。

研究结论指出，将电晕等离子体放电与少量铁结合，是去除纺织废水中颜色的高效方法。该方法在连续流系统中表现出色，能够有效去除两种截然不同类型的染料颜色，实现了近乎完全的脱色。然而，研究人员指出，虽然颜色消失了，但水并不一定已经完全净化了所有的有机物。染料分子的分解会产生较小的碎片，且该研究并未测量这些碎片是否具有毒性，也未测量有多少原始有机碳被完全转化成了二氧化碳和水等无害物质。这项工作展示了向更清洁水处理迈出的有力一步，表明等离子体技术可以经过调整以处理困难的工业污染物，但也强调了仍需进一步采取措施以确保处理后的水对环境是安全的。

技术摘要：铁离子辅助电晕等离子体对酸黑 194 与奥拉明 O 的脱色研究

问题陈述
纺织废水因其合成染料具有高化学稳定性、低生物降解性和强显色性，构成了显著的环境挑战。传统的处理方法（如混凝-絮凝和吸附法）通常面临污泥产生量大、吸附剂饱和以及对难降解芳香族化合物效率低下的局限性。虽然高级氧化工艺（AOPs）通过产生活性氧与氮物种（RONS）提供了一种极具前景的替代方案，但许多非热等离子体系统采用批处理模式或小体积操作，限制了其规模化应用。此外，结构多样化的染料（如偶氮染料和三芳基甲烷染料）对氧化的响应可能存在差异，因此需要通过对比研究来评估系统的鲁棒性。

实验方法
本研究评估了一种利用大气压电晕等离子体辅助亚铁物种的连续流循环系统。实验装置采用三钨针尖对不锈钢板的几何结构，在常压空气环境下运行。该系统处理 5 L 染料水溶液，流速为 250 mL min⁻¹。

研究选择了两种不同的染料进行对比分析：

酸黑 194 (AB-194)： 一种具有 –N=N– 发色团的偶氮染料。
奥拉明 O (AO)： 一种具有共轭芳香系统的三芳基甲烷染料。

两种溶液均使用自来水配制，初始浓度为 0.1 mM。加入由硫酸亚铁七水合物 (FeSO₄·7H₂O) 在酸性介质（硫酸）中衍生的亚铁催化剂，以达到约 0.98 mmol L⁻¹ 的最终 Fe²⁺ 浓度。该剂量旨在促进亚铁介导的自由基路径，而不引入外部过氧化氢，从而区别于传统的芬顿反应。

监测的关键参数包括：

脱色度： 通过 UV–Vis 分光光度法在 594 nm (AB-194) 和 432 nm (AO) 处进行测量。
理化性质： 追踪 90 分钟处理过程中的 pH 值、电导率和浊度。
电学特性： 记录电压和电流以计算平均功率并确保电晕放电运行的稳定性。
光学发射光谱 (OES)： 用于识别等离子体–液体界面处的激发态物种（如 ·OH, N₂, N₂⁺, Hα, Hβ）。
动力学与能量分析： 应用表观准一级动力学确定速率常数 ( $k$ ) 和半脱色时间 ( $t_{50}$ )。通过比能量消耗 (SEC) 和 50% 脱色时的能量产率 ( $G_{50}$ ) 评估能量性能。

主要结果

脱色效率： 处理 90 分钟后，系统实现了极高的脱色效率：AB-194 为 98.66%，AO 为 97.74%。
动力学： AB-194 的表观准一级速率常数为 0.0486 min⁻¹，AO 为 0.0433 min⁻¹。因此，达到 50% 脱色所需的时间 ( $t_{50}$ ) 分别为 AB-194 的 14.27 min 和 AO 的 16.00 min。偶氮染料 (AB-194) 的表观降解速率略快于三芳基甲烷染料 (AO)（约高出 12%）。
电学性能： 放电在电晕机制下保持稳定，未转化为电弧放电。AB-194 的平均功耗为 139.42 W，AO 为 133.71 W。
理化变化：
- pH 值： 加入酸性催化剂后，初始 pH 值降至 ~6.4–6.6。在处理过程中，pH 值进一步下降，AB-194 降至 6.02，AO 降至 5.75，这可能是由于氧化氮物种和有机副产物的形成所致。
- 浊度： 加入催化剂后浊度出现初始峰值（由于氢氧化铁胶体的存在），但在处理结束时分别降低了约 92.2% (AB-194) 和 93.4% (AO)，表明散射物种被移除或转化。
- 电导率： 由于离子的引入，电导率最初有所上升。在 90 分钟内，AB-194 的电导率下降了约 5.9%，而 AO 的电导率增加了约 3.3%，反映了离子组成的复杂变化。
能量指标： AB-194 的比能量消耗 (SEC) 为 41.83 kWh m⁻³，AO 为 40.11 kWh m⁻³。AB-194 的能量产率 ( $G_{50}$ ) 为 5.72 g kWh⁻¹，AO 为 2.13 g kWh⁻¹。AB-194 较高的 $G_{50}$ 归因于其较短的 $t_{50}$ 以及显著高于 AO 的摩尔质量。
等离子体诊断： OES 证实了包括羟基自由基 (·OH)、分子氮 (N₂)、氮离子 (N₂⁺) 以及氢谱线 (Hα, Hβ) 在内的活性物种的存在，这与界面处 RONS 的产生相一致。表观电子温度估计分别为 AB-194 的 0.72 eV 和 AO 的 0.81 eV。

意义与主张
作者主张，在大气压连续循环流系统中，大气压电晕等离子体结合亚铁物种是一种有效的技术，可用于实现结构多样化纺织染料的脱色。研究表明，该系统可以在 90 分钟内使两种染料（偶氮类和三芳基甲烷类）均实现近乎完全的脱色（>97%）。

论文强调，虽然分子结构会影响表观降解速率——AB-194 的偶氮键似乎比 AO 的共轭系统更容易受到氧化攻击——但整体工艺效率对于两者而言都很高。集成亚铁物种被视为一种在无需添加过氧化氢等外部氧化剂的情况下，通过二次自由基产生路径强化氧化的方法。

然而，作者对降解程度持谨慎态度。他们明确指出，观察到的吸光度降低证实了发色团的改变，但 并不能证实完全矿化 或不存在有毒转化产物。研究指出了关键的局限性，包括缺乏总有机碳 (TOC)、残留铁含量以及毒性测试。因此，作者得出结论：虽然该系统在脱色方面展现出潜力，但仍需未来的工作来优化催化剂浓度、鉴定降解产物、量化矿化程度，并在受控工业条件下评估其规模化能力。

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