金属有机骨架材料去除水消毒副产物卤代苯醌的应用研究

来源 :江南大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zhuangjun_1988
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卤代苯醌(Halobenzoquinones,HBQs)是氯及氯胺等化学消毒剂与水中的天然有机物反应进而产生的一类新型未受重视和监管的消毒副产物,具有多种潜在毒性。HBQs通过饮水、食品清洗残留等方式进入人体,长期暴露会对人体健康造成伤害。然而,现有的水处理方式无法避免终端用水中含有HBQs,因此,亟需开发快速去除水中HBQs的方法。金属有机骨架(Metal organic frameworks,MOFs)是由金属中心和有机配体连接而形成的纳米材料,结构上具有较高的孔隙率和较大的比表面积,能有效吸附污染物,成分上金属中心和配体提供丰富的活性位点,具有催化降解效果,两者单独或协同在水污染处理中发挥作用。因此,本文建立了两种基于MOFs材料的HBQs去除模式,实现了水中HBQs的快速吸附和降解。论文的主要研究内容和研究结果如下:(1)2,6-二氯-1,4-苯醌(2,6-dichloro-1,4-benzoquinone,DCBQ)是具有代表性的HBQs化合物,在HBQs中检出浓度最高。为了实现DCBQ的去除,分别制备了掺NH2-MIL-101(Fe)和MIL-101(Fe)的聚己内酯(Polycaprolactone,PCL)混合基质膜,结合氙灯(Xe)照射研究了DCBQ的膜去除过程。对混合基质膜进行了表征;对比了单独Xe灯照射、两种膜加或不加Xe灯照射的DCBQ去除效果,结果显示DCBQ过程符合一级动力学方程,R~2>0.9950,其中PCL/NH2-MIL-101(Fe)+Xe灯的速率常数k最大,为0.0679min-1,60 min内实现了82%的去除;探究了膜中MOF占比和体系p H值影响去除效果;四次循环使用膜去除DCBQ效能仍保持在80%以上并且膜结构稳定;通过吸附解吸实验证明了吸附对DCBQ的去除起到了近50%的作用;自由基和空穴抑制实验证实空穴主导DCBQ的光催化降解。本方法操作简单、成本低。为实现HBQs更高的去除速率,并探究同时去除多种HBQs的能力,因此进一步开展下一个研究工作。(2)以金属有机骨架ZIF-8作为催化剂,无需光照即可高效催化三种HBQs的转化。以气相色谱-串联质谱(GC-MS/MS)和高效液相色谱-串联质谱(HPLC-MS/MS)鉴定了在ZIF-8的作用下三种HBQs迅速转化为羟基卤代苯醌(OH-HBQs),10 min内转化率达90%以上,反应速率常数k范围为0.163-0.181 min-1,并且转化产物OH-HBQs在24 h内被进一步降解完全,ZIF-8在四次循环使用后仍保持80%以上催化转化效能;通过添加甲酸和甲醇洗脱实验证明了在HBQs的去除中吸附脱除作用可忽略,自由基和空穴抑制实验证实空穴主导HBQs的羟基化,进一步推测了HBQs的降解路径;ECOSAR软件预测显示降解产物对水生生物的急性毒性显著降低,即ZIF-8促进了HBQs的降解减毒。本方法催化降解多种HBQs速度快、催化剂稳定性较好。
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