基于水动力空化与紫外辐射的四氧化剂协同工艺优化降解诱惑红染料研究

本研究针对食品和制药工业废水中的难降解偶氮染料诱惑红(AR)，创新性地将水动力空化(HC)与过氧化氢(H2 O2 )、过硫酸盐(PS)和紫外辐射(UV)相结合，通过Box-Behnken设计优化工艺参数，实现99.23%的脱色效率和80.53×10?3 min?1 的动力学速率常数，为工业废水处理提供了高效节能的新策略。

　　

在食品和制药工业快速发展的今天，合成染料污染已成为水环境治理的重大挑战。其中，诱惑红(Allura Red, AR)作为应用最广泛的偶氮染料之一，因其复杂的芳香结构和强稳定性，传统生物处理法对其几乎无效，而物理化学方法又面临高能耗、二次污染等问题。更令人担忧的是，AR已被证实具有潜在致癌性和生态毒性，但针对其高效降解技术的研究却相对匮乏。这一现状促使科学家们将目光投向高级氧化工艺(AOPs)，特别是能产生强氧化自由基的水动力空化(HC)技术。

为突破现有技术瓶颈，研究人员开展了一项创新性研究，将HC与过氧化氢(H₂
O₂
)、过硫酸钠(PS)和紫外辐射(UV)组成四氧化剂协同系统。通过Box-Behnken实验设计和响应面分析法，团队不仅优化了工艺参数，更揭示了多技术协同的作用机制。这项发表于《Water Resources and Industry》的研究，首次实现了HC与多种氧化剂的系统整合，为工业废水处理提供了新范式。

研究采用三项关键技术：一是构建包含文丘里管空化反应器的实验装置，通过压力控制产生HC效应；二是应用Box-Behnken设计结合响应面分析法，对H₂
O₂
浓度(0-70 ppm)、PS浓度(0-200 ppm)和UV功率(0-32 W)进行多参数优化；三是通过自由基捕获实验，采用叔丁醇和乙醇作为捕获剂，定量分析羟基自由基(^·
OH)和硫酸根自由基(SO₄
^·-
)的贡献比例。

统计分析与模型构建
通过17组实验数据的ANOVA分析，建立的Logit模型具有极高预测精度(R²
=0.9761)。研究发现UV与PS的交互作用最为显著，两者协同使脱色效率提升至99.09%，证实UV对PS活化产生SO₄
^·-
的关键作用。

氧化剂协同机制
单因素实验显示，70 ppm H₂
O₂
单独使用时脱色率仅67%，而200 ppm PS单独使用时效率为45.31%。但当二者与32 W UV联用时，产生显著的协同效应，这是由于UV同时活化PS和H₂
O₂
，分别产生SO₄
^·-
和^·
OH。

自由基贡献解析
捕获实验表明，加入35 mM乙醇(同时捕获^·
OH和SO₄
^·-
)使脱色率骤降至53.10%，而叔丁醇(选择性捕获^·
OH)处理组保持74.53%效率。定量计算显示，自由基总体贡献达84.32%，其中^·
OH贡献71.68%，SO₄
^·-
贡献28.32%。

经济性与实用性评估
技术经济分析显示，优化后的HC/H₂
O₂
/PS/UV工艺效率-成本比(ECR)达398.39，远高于单一工艺。虽然UV-only工艺ECR更高(4210)，但其实际脱色能力(25.26%)无法满足需求。

这项研究通过多技术协同创新，实现了AR染料的高效降解，其99.23%的脱色效率和74.33%的COD去除率显著优于传统方法。研究不仅证实了HC与氧化剂联用的协同机理，更通过精准的RSM优化，将氧化剂用量控制在41.3 ppm H₂
O₂
和197 ppm PS的经济区间。自由基作用机制的解析为类似污染物处理提供了理论指导，而ECR评估则为工业应用提供了经济性依据。该技术特别适合处理高浓度、难降解的工业染料废水，为食品和制药行业的废水治理开辟了新途径。未来研究可进一步探索连续流反应器设计和实际废水处理应用，推动该技术从实验室走向产业化。