水中典型难降解医药类污染物卡马西平、利福平和盐酸四环素的光催化降解特性研究

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随着药品的大量使用和人体对其吸收的有限,水环境中残留众多的医药类污染物。目前已在污水处理厂出水、地表水、地下水和饮用水,甚至土壤和污泥中均检测到医药类物质的存在。水体中医药类物质的浓度为ng/L~μg/L,但由于长期存在于环境中则对生物存在着慢性中毒的可能,同时对水生生态系统和人体健康构成潜在威胁。光催化技术在处理难降解有机物方面具有一定的优势,但目前将其应用于医药类物质降解的报道还不多见。因此,本文考察光催化降解水中难降解医药类污染物卡马西平、利福平和盐酸四环素的特性,以期为实际水环境中医药物质的去除提供理论依据。本文选择水热合成法制备催化剂ZnIn2S4并通过UV-vis DRS、SEM、XRD和BET等手段对其进行表征;在间歇反应器中考察了该催化剂对卡马西平、利福平和盐酸四环素的光催化降解特性。研究表明,抗癫痫药物卡马西平初始浓度100μg/L、溶液pH 5~9、ZnIn2S4投加量10~50mg/L与碘镓灯(350-450nm)光照反应30min后,卡马西平的去除率接近100%,而当反应液中含微量甲醇时卡马西平达到相同的去除效果则需光照反应3h以上;利福平和盐酸四环素经光照反应时间90min后被完全去除。动力学分析表明,抗癫痫医药物卡马西平和抗生素医药物盐酸四环素的光催化过程符合一级反应动力学,降解速率受反应物初始浓度的影响;含甲醇水溶液中和超纯水中卡马西平光催化降解过程中加催化剂后的反应速率常数分别是不加催化剂的2.85倍和10.44倍,催化剂显著提高了目标物降解反应速率。催化剂ZnIn2S4循环使用5个周期后,卡马西平在甲醇和纯水中的去除率分别由90%降至70%和91%降至84%,表明催化剂结构趋稳后仍具有较高的催化活性。自由基捕获实验证实羟基自由基(·OH)为医药类污染物降解过程中的主要活性物种,超氧基(O2·-)和空穴(h+)为次要的活性物种。LCMS-IT-TOF检测了医药类物质光催化降解反应过程的中间产物,在此基础上推测了医药类污染物可能的降解机理和降解路径。医药类物质主要是在活性物种的氧化作用下发生羟基化、裂解、断键与开环等一系列氧化还原反应,进而转化为结构简单的小分子产物。研究表明,Zn In2S4可以有效的去除水中的卡马西平、利福平和盐酸四环素,但污染物的矿化率较低且部分中间产物的生物毒性不明,应进一步强化这方面的研究。
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