高锰酸盐降解水中两种新型污染物的应用研究

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随着内分泌干扰物(EDCs)与药品和个人护理品(PPCPs)的大量使用,新型污染物已成为环境污染,特别是饮用水安全的重大课题。化学氧化法因其具有对污染物氧化去除彻底,容易实施,操作简便,比生物法、吸附法更容易在饮用水处理中应用。高锰酸盐作为一种绿色氧化剂,在去除饮用水中一些EDCs和PPCPs上具有较大的优势,其一,高锰酸盐来源广泛,价格优廉,已在国内水厂中广泛应用;其二,高锰酸盐氧化过程中不产生氯代和溴酸盐等消毒副产物,相比氯氧化和臭氧氧化具有显著优势。本文对高锰酸盐药剂A、高锰酸盐药剂B氧化去除两种典型的EDCs/PPCPs(双酚A和三氯生)的效能和动力学分别展开了研究,侧重探讨了氧化剂浓度、温度、pH等条件对去除效能和动力学的影响,并对比分析了高锰酸盐药剂B氧化双酚A和三氯生效能和动力学。高锰酸盐药剂A、药剂B均对三氯生有较好的去除效果,pH=7,反应时间为100s的条件下,去除率可达70%以上。药剂A去除三氯生的最佳pH =7,药剂B去除三氯生的最佳pH=8。温度大于28℃后,继续提高温度,对三氯生去除率的影响不大。两种高锰酸盐与三氯生的反应符合为二级反应动力学模型,对高锰酸盐及三氯生分别为一级反应。二级反应速率常数分别为344.7M-1s-1及477.4M-1s-1,药剂B中的辅剂成分明显促进了三氯生的去除。两种高锰酸盐在酸性和强碱性条件下氧化三氯生的反应速度相对较慢,在中性及弱碱性条件下反应迅速。用Arrhenius公式拟合得到药剂A与药剂B氧化反应的表观活化能分别为29.93 kJ2mol-1及26.412 kJ2mol-1,通过Eyring公式计算得到反应的焓变及熵变。药剂A与药剂B在松花江去除三氯生的效果要好于自来水中的效果。两种高锰酸盐在pH=7,反应时间为120s时对双酚A的去除率分别为74.88%、65.55%。酸性条件下,药剂A与药剂B对双酚A的去除率较低,pH=5时达到最低,pH>7后,随着pH增加,双酚A的去除效果增加,pH=9时,药剂A对双酚A去除率可达99.3%,药剂B对双酚A的去除率可达95.44%,因此碱性条件有利于双酚A的去除。温度对双酚A去除的影响与三氯生相似。两种高锰酸盐与双酚A的反应为二级反应,对高锰酸盐及双酚A分别为一级反应。二级反应速率常数分别为109.88M-1s-1及91.44 M-1s-1。酸性条件下,两种高锰酸盐氧化去除双酚A速率较慢,碱性条件下双酚A的反应速率加快,并随着pH增加,反应速率迅速增加。用Arrhenius公式拟合得到药剂A与药剂B氧化反应的表观活化能分别为25.96 kJ2mol-1及27.32 kJ2mol-1,通过Eyring公式计算得到反应的焓变及熵变。对于药剂A与药剂B,双酚A在松花江水中的去除率均要好于自来水中。与双酚A相比较,pH<8时,三氯生更易于被药剂B氧化,不同药剂B浓度、温度条件下,三氯生和双酚A的去除显示出类似的规律。pH<7时,pH对药剂B去除三氯生和双酚A的影响趋势相同,pH>7后,随着pH增加三氯生的去除率迅速下降,双酚A的去除率持续快速上升。酸性条件下,三氯生与双酚A的二级反应速率常数相近,三氯生二级反应速率常数在pH=8达到最大K=539.8M-1s-1,随后迅速减小;双酚A的二级反应速率常数在pH>8后持续增加,当pH=10时达到最大值913.2M-1s-1。随着温度的升高,双酚A与三氯生的二级反应速率常数差距基本保持在1.6倍。高锰酸盐药剂A、高锰酸盐药剂B均能较快去除水中的三氯生和双酚A,并有较好的去除效果,本实验中高锰酸盐药剂B的浓度仅为药剂A的一半,但仍表现出与高锰酸钾相近的去除效果。高锰酸盐药剂A、高锰酸盐药剂B作为绿色氧化剂在控制饮用水中的EDCs/PPCPs具有广泛的前景。
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