零价铝/氧化剂体系降解水中活性黑5和四环素的研究

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高级氧化技术(Advanced Oxidation Processes,AOPs)高效率、低污染,是污染物处理的研究热点,零价铝/氧/酸(Al0/O2/H+)体系是一种绿色清洁的高级氧化技术,但其反应速率略为缓慢,本文通过向原Al0/O2/H+体系中加入一定量的氧化剂,如过过二硫酸盐(Peroxydisulfate,PDS)、一硫酸盐(Permonosulfuric,PMS)、过氧化氢(Hydrogen Peroxide,HP),促进污染物的降解。实验以活性黑5(Reactive Black 5,RBK5)、四环素(Tetracycline,TC),考察了Al0/PDS、Al0/PMS、Al0/HP三种体系对其的降解率及其影响因素,探讨其产生活性物质产生的机理,通过HPLC-MS测定TC降解的中间产物,推测三种体系对TC的降解途径。主要内容如下:(1)确定Al0/PDS体系降解RBK5的最优条件为,pH=3,PDS=50 mmol L-1,Al=0.4 g,RBK5=50 mg L-1,最优条件下,120 min RBK5的降解率为98.06%。温度升高有利于RBK5的降解,阴离子Cl-、NO3-、HCO3-因与SO4·-和·OH作用生成了氧化性较弱的自由基而不利于RBK5的降解。猝灭实验表明体系中起主要降解作用的是SO4·-。通过Al0/PDS体系降解TC过程的紫外可见吸收光谱图、及体系中苯胺浓度的变化,表明自由基易攻击RBK5双偶氮键分子结构,Al0/PDS体系对小分子苯环类中间产物降解效果好于Al0/O2/H+体系,但RBK5并未完全矿化,TOC降解率为34.09%。(2)确定了Al0/PDS、Al0/PMS和Al0/HP体系降解TC的最优条件,分别为pH=3,PDS=30 mmol L-1,Al0=0.6 g,TC=20 mg L-1(Al0/PDS体系);pH=3,PMS=20 mmol L-1,Al0=0.6 g,TC=20 mg L-1(Al0/PMS体系);pH=2,HP=3 mmol L-1,Al0=0.6 g,TC=20 mg L-1(Al0/HP体系)。在最优条件下TC的降解率为:Al0/PMS(98.86%)>Al0/PDS(95.76%)>Al0/HP(76.47%)。(3)通过考察自由基的猝灭实验、Al0/PDS、Al0/PMS和Al0/HP体系中H2O2和·OH含量随时间的变化表明,Al0/PDS体系中对TC降解起主要作用的是SO4·-,Al0/PMS体系中SO4·-和·OH均起主要的降解作用,且Al0/PMS体系自由基的总量高于Al0/PDS体系;Al0/HP体系仅产生·OH,其对TC的降解率较低。且O2对TC的降解有促进作用。(4)通过量子化学理论计算,得出PMS EHOMO–ELUMO最小,O-O键最不稳定,易接受电子产生自由基降解TC,其次为PDS,最后为HP。由此提出三种氧化剂体系对TC的降解率和反应速率常数随氧化剂EHOMO–ELUMO差值的减小而增大,从理论上进一步解释了Al0/PDS、Al0/PMS和Al0/HP体系对TC的降解率有差异的原因。(5)HPLC-MS检测出Al0/PDS、Al0/PMS和Al0/HP体系降解TC过程中的13种中间产物,多为经过自由基氧化断裂开环的四元环、三元环有机物。推测出4条TC的降解途径,其中,Al0/PDS体系只包含SO4·-起作用的路径为I、II、III,Al0/HP体系只包含·OH起作用的路径为I、IV,Al0/PMS体系包含全部四种路径。
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