水环境中菲的光降解机理研究

来源 :华东理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:qingfengliangban
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作为典型的持久性有机污染物,多环芳烃(PAHs)在环境介质中广泛存在,且很多PAHs具有致癌、致畸和致突变作用,其生态效应已引起社会的广泛关注。随着人类活动不断增加,天然水体中PAHs的污染也越来越严重。而太阳光降解是PAHs主要自然降解途径之一。天然水体中含有大量光敏化剂,如溶解性有机物(DOM)和NO3-等,可对PAHs在自然环境中的降解与转化产生较大的影响。然而,目前该方面的工作并不完善,尤其是海水中光敏化剂对PAHs降解影响的研究较少。本研究以一种典型的PAHs(菲)为目标污染物,探究了淡水和模拟海水中无机氮化合物、卤素离子、DOM等对其光降解的影响,并通过自由基测定等实验确定了菲在各环境因素下的降解过程及机理。本工作的主要研究内容及结论如下:(1)评估了无机氮化合物对菲光降解的影响。结果表明,N03-可有效地通过光敏作用促进菲的降解;NO2-对菲的光降解呈现微弱的抑制作用;NH4+对菲降解的影响可以忽略不计。溶解氧(DO)可淬灭三重激发态的菲而抑制其光降解,因此光化学电离是菲在缺氧条件下光降解的关键过程。NO3-及NO2-可导致菲的光降解机理发生变化,该过程主要通过改变体系中的自由基作用,而DO对自由基的产生具有重要作用。对自由基的淬灭实验和浓度测定实验均显示由N03-光敏作用而产生的·OH是引起菲降解的重要自由基,而NO2-的光敏过程对产生·OH基本无贡献。同时发现,1O2在菲的光降解中也发挥了重要作用。经测定,NO3-的存在使淡水中·OH的稳态浓度从2.08×10-15M增加到1.04×10-14M,在模拟海水中浓度从1.50×10-16M增加到2.08×10-15M。而NO2-与NO3-在淬灭实验中的差异则表明NO2-体系中可能有活性氮自由基参与反应。(2)探究了卤素离子对菲光降解的影响,及卤素离子与NO3-共存条件下的作用。结果表明Cl-和Br-均能促进菲的光降解,且随Br-浓度增加促进效果先增强后减弱。菲本身也是一种光敏化剂,能被光激发产生三重激发态进而与卤素离子反应产生卤素自由基。卤素离子一方面产生卤素自由基促进菲降解,一方面淬灭激发态菲而抑制其降解,这两种作用会互相抵消,因此卤素离子单独对菲光降解的影响并不显著。当向Br-体系中加入NO3-后,菲的降解过程会出现反应速率随时间不断减慢的趋势,这一趋势随Br-浓度升高而更加显著。向C-l溶液中加入NO3-后,菲在酸性条件下的光降解速率显著加快,高于中性和碱性条件下的2倍。当加入了额外的NO3-时,卤素自由基更多地参与反应,且随着NO3-浓度升高,卤素自由基的浓度也随之升高,对反应速率的贡献增加。同为卤素离子,Br-和Cl-在反应中的作用有一定差异,这跟它们与自由基和污染物反应的活性有关。比较特殊的是,Cl-在酸性条件下有与Br-不同的反应机制,它可以通过络合H3O+与·OH反应生成氯自由基从而加快菲的光降解。卤素离子在有光敏化剂存在时,会产生卤素自由基与菲反应生成中间产物,而中间产物能与菲竞争光子和自由基,随着反应不断进行产物的量也在不断积累,因此会在反应后期呈现出对菲降解的抑制作用。(3)以腐殖酸和黄腐酸为代表性DOM,探究其对光降解菲的作用。结果显示黄腐酸在较低浓度下对菲的光降解具有促进作用,主要得益于DOM光敏化产生ROS和3DOM*促进菲的降解。高浓度DOM的光屏蔽效应及自由基淬灭作用共同抑制了菲的降解。因此,DOM对光降解菲同时存在促进和抑制效应,体现出来的综合效果取决于DOM的浓度和种类,本研究使用的黄腐酸对菲光降解的促进效应显著强于腐殖酸。NO3-的光敏化作用能够减弱较高浓度DOM对菲光降解的抑制作用,而NO2-没有对DOM的作用产生影响。Br-能提高较低浓度DOM下菲的光降解速率,而Cl-并没有表现出显著的影响。当体系中同时存在NO3-和卤素离子时,菲在不同浓度DOM中的光降解均受到抑制。这表明当体系中组成比较复杂时,各组分之间会互相作用,最终表现出对菲光降解不同于单一组分的复合影响。(4)依据GC-MS分析和DFT计算提出了菲在含NO3-的模拟海水中由·OH引起的两条光降解路径。在光降解过程中,菲的部分降解中间产物表现出了比菲更高的毒性,但这些中间产物的浓度远低于菲。因此,菲在太阳光下的降解有利于降低其环境风险。
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