高铁酸盐催化臭氧氧化氟喹诺酮类抗生素的试验研究

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应用广泛的氟喹诺酮类(FQ)抗生素在市政水体和地表水体中频繁检出,传统的污水处理技术只能实现其状态的转化,难以完全降解。多种以催化臭氧氧化为代表的高级氧化技术成为处理此类污染物的有效手段。我们提出了一种高铁酸钾-臭氧联用的多级氧化技术,将高铁酸钾与臭氧的氧化性能组合,并充分利用高铁酸钾的絮凝以及催化臭氧的复合作用,在处理水环境中氟喹诺酮类抗生素方面具有较好的应用潜能。本试验使用来自制药厂污水处理厂的二级出水和配置的含有环丙沙星的模拟水样作为研究对象,验证高铁酸钾还原产物对臭氧的催化作用,基于此建立高铁酸钾-臭氧联用的多级氧化体系,并对氟喹诺酮类抗生素的降解效果及机理进行研究。通过检测水中臭氧浓度的变化,研究了高铁酸钾还原产物对臭氧分解的影响。采用分离溶液中残留的高铁酸钾还原产物的方法,分析溶解性有机碳(DOC)、紫外吸收(UV254)和荧光性有机物含量等指标,研究高铁酸钾还原产物在臭氧处理阶段的作用。由此对比验证高铁酸钾对臭氧的催化作用。考察了多级氧化环丙沙星过程中高铁酸钾投加量、臭氧浓度、pH对多级氧化体系的影响。通过投加HCO3-、PO43-模拟自然水体中的阴离子探究其对处理效果的影响,并尝试探究常见的混凝剂(Fe2+、Fe3+)对多级氧化体系的作用。根据各影响因素研究结果,选取最优条件,研究单独高铁酸钾处理、单独臭氧处理、多级氧化处理环丙沙星后的成分组成,由此推断多级氧化体系降解环丙沙星的反应途径。相关研究结果如下:(1)高铁酸钾还原产物能加速水中臭氧的分解。在单独高铁酸钾处理的基础上,高铁酸钾还原产物使后续臭氧处理过程中DOC的去除率提高了14.9%,UV254的去除率提高了29.03%。高铁酸钾能有效催化臭氧,提高臭氧氧化难降解有机物的能力。(2)随着高铁酸钾投加量的增加(10、30、60、90 mg/L),高铁酸钾还原产物催化臭氧氧化效果随之增强。臭氧气体浓度的增加能一定程度强化多级氧化体系的处理效果。单独高铁酸钾处理在初始pH=3条件下取得最优矿化率(37.98%);单独臭氧处理效果随pH上升而提升;高铁酸钾与臭氧联用的处理效果明显优于其他两种处理方式,并在初始pH=5条件下取得最优矿化率50.29%。高铁酸钾充分还原后联用臭氧处理效果优于高铁酸钾与臭氧同时处理。(3)HCO3-对高铁酸钾和多级氧化体系的氧化作用有轻微的抑制作用;PO43-会明显抑制高铁酸钾和多级氧化体系的氧化作用;Fe2+与Fe3+能显著强化单独高铁酸钾处理的效果,并对多级氧化体系有略微强化效果。(4)运用傅里叶变换离子回旋共振质谱仪共检测出12种环丙沙星降解过程的中间产物,推断了这12种产物的分子结构并最终推测出多级氧化降解环丙沙星的途径,包括:脱氟反应;羟基加成反应;水合作用;脱羧反应;开环反应。
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