本文主要介绍了一种用于研究水中亚甲基蓝（MB）降解动力学的射频诱导电磁场（RF - EMF）间歇式反应器设计，具体内容如下：
1. 研究背景
- RF技术应用广泛：RF技术在多个领域有应用，如电信、医疗、食品工业等，其在水中微生物灭活方面也有研究，但对于降解水中化学物质的研究还需深入，且缺乏有效设计的实验装置来探索更高频率的射频诱导电磁场（RF - EMF）降解水污染物的潜力。
- EMF与其他方法结合的研究现状：EMF在废水处理和去除水中天然有机物方面有一定研究，但多数研究集中在低频范围，对于高频射频诱导电磁场（RF - EMF）降解水污染物的研究存在知识空白。
2. 实验方法
- 射频诱导电磁场（RF - EMF）实验装置：由RF发生器、放大器、变压器、电容器、圆形亥姆霍兹线圈、示波器和电流探头组成，详细介绍了各组件的参数和来源。
图 1.RF-EMF 实验装置的示意图。
- 设计参数与计算
- 高频电磁场（EMF）：通过电流流过线圈产生，本研究采用亥姆霍兹线圈产生均匀高频EMF，在高频时需采用谐振阻抗消除技术来降低驱动电压。
- 亥姆霍兹线圈：由两个平行且中心在同一x轴的相同线圈组成，能产生均匀磁场，文中给出了磁场计算公式及本研究使用线圈的参数。
- 电磁电流与阻抗：给出了电磁线圈阻抗计算公式，以及通过线圈的电流计算公式。
- 谐振阻抗消除技术：通过添加串联电容器使线圈在谐振模式下工作，降低总阻抗，但该技术只能在窄频率范围工作，且需改变频率时调整电容。
- 电容测量：根据谐振频率计算电容值，本研究使用空气可变电容器便于频率调整。
- 样品制备与实验配置
- 射频诱导电磁场（RF - EMF）下亚甲基蓝（MB）降解实验：以2mg/L的亚甲基蓝（MB）溶液为模型化合物，在不同射频诱导电磁场（RF - EMF）条件下处理5h，设置对照组。
- 射频诱导电磁场（RF - EMF）下Fenton反应降解亚甲基蓝（MB）实验：使用5mg/L的亚甲基蓝（MB）溶液，加入不同浓度的Fenton试剂，在特定射频诱导电磁场（RF - EMF）条件下处理30min，期间定时取样，实验在搅拌下进行，测量样品前后温度和pH，设置对照组。
- 分析与定量方法：用紫外 - 可见分光光度计测定亚甲基蓝（MB）的UV吸光度值，根据校准曲线确定亚甲基蓝（MB）浓度，实验重复至少两次，结果取平均值并给出标准偏差。
- 统计、动力学和能量分析：采用双样本t检验判断亚甲基蓝（MB）浓度均值是否有统计学差异，计算亚甲基蓝（MB）降解的一级速率常数，以及射频诱导电磁场（RF - EMF）装置的单位电能消耗（EE/O）。
3. 实验结果与讨论
- 射频诱导电磁场（RF - EMF）下亚甲基蓝（MB）降解：在2MHz频率和2.5Vpp振幅下亚甲基蓝（MB）浓度降低10%，统计分析表明该条件下与对照组有显著差异，推测高频和高振幅可能增加亚甲基蓝（MB）降解，但需进一步研究，可能原因是2MHz频率与亚甲基蓝（MB）极化区域匹配导致降解。
图 3.不同 RF-EMF 条件下 5 h 后 MB 的浓度变化。MB 的初始浓度为 2 mg/L。
- 射频诱导电磁场（RF - EMF）下亚甲基蓝（MB）降解动力学：在2MHz和2.5Vpp条件下，亚甲基蓝（MB）降解符合一级动力学反应，速率常数比对照样本增加4倍，射频诱导电磁场（RF - EMF）可导致有机化合物分子键的热和非热破坏，羟基自由基的产生也可能促进降解。
- 射频诱导电磁场（RF - EMF）下Fenton反应降解亚甲基蓝（MB）动力学：同时使用两种Fenton试剂在射频诱导电磁场（RF - EMF）下可显著增强亚甲基蓝（MB）降解（5 - 14%），降解有初始滞后（约10min），之后符合一级动力学反应，速率常数增加1.2 - 1.6倍，这可能归因于射频诱导电磁场（RF - EMF）对铁磁性物质的热激活增加了羟基自由基的产生，但需进一步研究验证。
图 5.使用无（对照）和有 RF-EMF（RF：频率为 2 MHz，振幅为 2.5 Vpp）的 Fenton 反应降解的 MB 降解的浓度变化 （A-C） 和动力学 （D-F）。图 （A） 和 （B） 中的插图显示了仅将一种 Fenton 试剂与 MB 掺入的结果（轴标题和图例与图 （A） 和 （B） 中的相同）。MB 的初始浓度为 5 mg/L。
- 射频诱导电磁场（RF - EMF）装置的EE/O分析：计算不同条件下射频诱导电磁场（RF - EMF）间歇式反应器的EE/O，加入Fenton反应后EE/O显著降低，表明该组合系统在工业应用方面有潜力，但仍需进一步研究商业应用。
4. 研究结论
- 成功设计了可提供可变高频和强度水平的射频诱导电磁场（RF - EMF）间歇式反应器，为RF处理水的批量实验提供了初始框架。
- 2MHz频率和2.5Vpp振幅可降低亚甲基蓝（MB）浓度，可能是由于与亚甲基蓝（MB）极化区域匹配破坏分子键，但需进一步验证。
- 在上述条件下亚甲基蓝（MB）降解符合一级动力学反应，速率常数显著高于对照样本。
- 射频诱导电磁场（RF - EMF）与Fenton反应结合可增强亚甲基蓝（MB）降解，支持了射频诱导电磁场（RF - EMF）热激活铁磁性物质增加羟基自由基产生的观点，但射频诱导电磁场（RF - EMF）作为主要降解机制需进一步验证，未来研究应优化射频诱导电磁场（RF - EMF）参数，探索与高级氧化工艺的整合及商业应用。
Marieh Arekhi, David Reckhow, Leila Alidokht, and Mariana Lanzarini-Lopes. Designing a Batch Experimental Setup to Investigate the Kinetics of Methylene Blue Degradation in Water Using Radiofrequency-Induced Electromagnetic Fields[J]. ACS EST Water, 2024. DOI: 10.1021/acsestwater.4c00645.
