UV-LED/NH2Cl去除饮用水中卡马西平的效能与机理研究

来源 :山东建筑大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:wcf2009
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药物活性化合物(Ph ACs)在全球水环境中频频检出,其存在对水生生物与供水安全造成了潜在风险,已经成为亟待解决的环境问题。卡马西平(CBZ)是一种典型的Ph ACs,具有检出频繁,赋存浓度高的特点。基于臭氧氧化、活性炭吸附、膜截留的CBZ控制技术在市政给水处理中获得广泛的研究和应用。随着紫外氯胺高级氧化技术的不断成熟,一氯胺(NH2Cl)的光化学降解与自由基氧化特性,以及相比于传统氯消毒剂有着降低三卤甲烷生成量与维持管网所需余氯的优势,赋予其在控制饮用水中Ph ACs方面的独特优势。新兴的紫外发光二极管(UV-LED)为无汞水处理和光反应器设计提供了新的可能。然而,目前鲜有利用UV-LED/NH2Cl技术降解水环境中污染物的研究,且不同种类自由基对目标污染物降解贡献尚不清楚。因此,针对水环境中Ph ACs的残留问题,本研究构建了UV-LED/NH2Cl高级氧化技术来实现对水中CBZ的控制。本研究选取CBZ为目标污染物,考察了UV-LED/NH2Cl对CBZ的降解效能,探索了水质条件和工艺参数对降解的影响;通过探针化合物等手段,分析了不同活性自由基对CBZ降解的贡献;通过液质联用技术,鉴别了CBZ的降解产物,推断了CBZ的降解途径,探究了活性自由基与中间产物的关系。本研究旨在全面评估UV-LED/NH2Cl新技术降解CBZ的效能与机理,为今后的研究与应用提供理论支撑与科学依据。研究发现,单独NH2Cl氧化和单独UV-LED光解对CBZ降解效果甚微,然而UV-LED/NH2Cl高级氧化工艺可实现CBZ的高效降解。CBZ的降解符合伪一级反应动力学(R~2>0.99,kCBZ=0.0043 cm~2·m J-1,p H=7)。CBZ的降解依赖于UV-LED波长,在选取的三个紫外波段中(265 nm,275 nm和285 nm),265 nm条件下的降解效果最佳。实际水体中常见的p H值(6.0~8.0)和氯离子的存在对CBZ的降解效率影响甚微,而碳酸氢根离子和天然有机物(NOM)的存在则会对CBZ降解产生抑制作用,且浓度越高抑制作用越强烈。因此该体系在实际水体中应用时,更适合用于深度处理。通过超高效液相色谱串联三重四极杆质谱(UPLC-Q-TOF-MS)对CBZ降解的中间产物进行鉴定并推断其降解路径,共鉴定出8种中间产物(TPs)。CBZ降解过程中,苯环在自由基的作用下通过氢提取、环收缩、去氨基等逐步开环生成脂肪酸化合物,最终实现CBZ的矿化。利用生态-结构-活性关系(ECOSAR)软件对中间产物的急慢性毒性进行预测,结果表明大部分中间产物的急慢性毒性随着紫外剂量的增加趋于降低。本研究证实在UV-LED/NH2Cl体系(p H=6.0~8.0)中,羟基自由基(·OH)和氯自由基对CBZ的降解发挥了主要作用。电子顺磁共振(EPR)图谱显示,羟基自由基是UV-LED/NH2Cl体系的主要活性自由基。另外,利用探针化合物实验来区分羟基自由基和活性氯自由基(RCS)的贡献,羟基自由基对CBZ降解的贡献达50%以上,且不同p H条件下羟基自由基的稳态浓度大于氯自由基的稳态浓度。
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