绿色合成纳米零价铁激活过硫酸盐降解水中磺胺甲基噁唑的机理研究

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磺胺甲基噁唑(SMX)是一种广谱性抗生素,广泛用于人类和动物的细菌感染。因此,近年来,在各种水体中均已检测到SMX的存在,成为水体中的一种新型污染物。虽然水体中SMX浓度低,仍会影响人体健康和生态系统的平衡。例如,SMX会诱导细菌产生耐药性和耐药基因,SMX对人体具有致癌性。传统的废水处理技术对SMX的效果差。因此,需要探索出一种SMX高效降解的工艺技术。
  目前,基于过硫酸盐的高级氧化技术(AOP)广泛应用于水体中SMX降解。该技术主要利用氧化性强的SO4-?降解污染物。过硫酸盐在常温下无法产生SO4-?,需要经过活化。纳米零价铁激活过硫酸盐技术方法操作简单和反应条件温和,成为活化过硫酸盐的一种高效方法。然而,化学法制备的纳米零价铁很容易发生团聚,影响SMX的降解效果,因此,需要对纳米零价铁进行改性。
  本文采用银杏叶提取液合成纳米零价铁(GB-nZVI),研究了GB-nZVI激活过硫酸盐(PS)的技术降解水中的SMX。采用SMX、FTIR、XRD、XPS技术对GB-nZVI反应前后的材料进行表征。研究了PS浓度、不同体系、温度、pH、SMX浓度对GB-nZVI激活PS降解SMX的影响,确定SMX降解的最佳条件。同时,研究了腐植酸(HA)的存在,对SMX降解的影响。甲醇和叔丁醇作为淬灭剂,确定了GB-nZVI激活PS的体系在不同环境中的起主导作用的自由基。探讨了GB-nZVI激活PS的机理。主要研究结论如下:
  (1)表征结果表明成功的制备了GB-nZVI,且颗粒分散均匀,具有良好的稳定性和分散性。银杏叶提取液中的黄酮类化合物和多酚等物质作为GB-nZVI的稳定剂。反应后的GB-nZVI团聚现象明显,其表面有铁的氧化物和铁的氢氧化物,表明GB-nZVI发生了氧化反应。
  (2)在相同的实验条件下,GB-nZVI/PS,Fe2+/PS,Fe3+/PS这三种体系对SMX的降解率为85.59%、56.16%和23.11%,发现GB-nZVI/PS降解SMX的效果最好。然而,在0-5min内,Fe2+激活过硫酸盐降解SMX的速率最快。这是因为刚开始Fe2+浓度大,可以在短时间内会产生大量的SO4-?,降解SMX的速率快。
  (3)实验结果表明降解SMX的最佳条件为:PS的浓度为4mmol/L,GB-nZVI的投加量为0.01g,pH的值为3,SMX的浓度为10mg/L,温度为303K,SMX的降解率为85.59%。升高温度,降低pH值,有利于GB-nZVI激活PS降解水体中SMX。HA的存在抑制了SMX的降解。动力学研究表明:SMX的降解过程符合拟一级动力学模型。
  (4)通过淬灭实验表明,GB-nZVI激活PS降解SMX的体系中存在SO4-?和OH?。在pH<7的条件下,SO4-?对SMX的降解起主导作用;在pH=7的条件下,SO4-?和OH?共同降解SMX。在pH>7的条件下,OH?对SMX的降解起主导作用。
  (5)GB-nZVI激活PS的机理为:少量的GB-nZVI通过电子转移方式直接激活PS产生SO4-?;GB-nZVI通过腐蚀缓慢的向溶液中释放Fe2+,Fe2+进行激活PS。SO4-?的产生主要依赖Fe2+激活PS。
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