零价铁活化过硫酸盐降解水中磺胺嘧啶研究

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磺胺类药物在历史上为人类和动物疾病的预防和治疗做出巨大的贡献,但是近些年由于磺胺类抗生素在人类、养殖和农业中的滥用,导致水环境中磺胺药物不断被检出。磺胺类抗生素对人体存在着直接危害,同时对生态环境存在极大的潜在危害。由磺胺类抗生素引起的抗性基因的新兴污染问题特别引起了人们的重视,研究高效经济去除水中磺胺类抗生素的新兴技术是非常必要的。本文采用零价铁/过硫酸盐(Fe0/PS)体系对水中磺胺嘧啶进行降解,并对降解机理进行了探讨。本文首先研究了溶液初始pH值对Fe0/PS体系降解水中磺胺嘧啶的效能影响,通过动力学实验得到相应的一级反应速率常数。初始pH值的升高会延缓Fe0的腐蚀和二价铁的释放,从而降低了kobs值并延缓了磺胺嘧啶的去除。在实验研究的pH范围内,pH值对磺胺嘧啶的最终降解率影响不大,Fe0/PS体系在溶液初始pH 5.0-9.0范围内具有很好的除污染能力。研究溶剂参数对Fe0/PS体系降解水中磺胺嘧啶的效能影响均在中性条件下进行。Fe0/PS体系降解水中磺胺嘧啶的溶剂参数优化结果为Fe0:PS的比例1:1较为合适。过多的零价铁会捕获活性氧化剂反而抑制磺胺嘧啶的降解。过硫酸盐需要零价铁活化才能实现污染物的去除,因此过量的过硫酸盐也不能加速污染物的去除。当零价铁和过硫酸盐的投量确定之后,不断提升污染物的浓度也会降低去除效能,这是由于反应过程中的氧化活性物质产量依然受控于零价铁和过硫酸盐。水体中的背景物质均对Fe0/PS体系降解水中磺胺嘧啶的效能产生一定的影响,总体来看这些物质的影响为Cl-<ClO4-<SO42-<NO3-<HCO3-<HA。化学猝灭实验和电子自旋共振(EPR)光谱共同鉴定认为Fe0/PS体系中关键氧化还原物种为硫酸根自由基。邻菲罗啉和EDTA的影响实验表明Fe0/PS体系中硫酸根自由基是由于零价铁释放的二价铁离子活化过硫酸盐产生的。利用密度泛函理论对磺胺嘧啶构型进行优化并且得到了分子结构上各个原子的电荷分布,并得到磺胺嘧啶各原子的压缩福井函数值,找出硫酸根自由基攻击磺胺嘧啶的活性位点,主要为S-C键、S-N键、氨基以及部分碳、氮原子。最后结合质谱解析得到磺胺嘧啶的降解中间产物,推断出了磺胺嘧啶在Fe0/PS体系中的四条降解途径,其中三条路径来源于硫酸根自由基直接攻击,剩下的一条路径为少量羟基自由基的贡献。
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