UV-LED/氯降解水中普萘洛尔的效能与机理研究

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近年来,水中痕量有机污染物(TOrCs)引发的水污染是一个新的环境威胁。虽然这类污染物在水体中的浓度仅为ng/L到μg/L级别,但由于其难以通过现代污水处理厂的常规工艺去除,故长期存在受污染的水体中并逐渐积累。生物长期暴露在这些痕量有机污染物下,会对其生理性状、生长繁殖造成潜在环境风险。紫外/氯技术是一种通过紫外光解氯产生自由基氧化降解污染物的高级氧化技术,是一种有潜力降解痕量有机污染物的水处理技术。紫外发光二极管(UV-LED)无汞、坚固、可即开即关、能提供任意波长的紫外光,被认为是最有前途的UV光源。UV-LED代替传统汞灯应用到紫外氯技术中,是更加环保、灵活、高效的高级氧化技术。本实验以一种β受体阻滞剂普萘洛尔(PRO)为目标底物,进行了UV-LED/氯技术降解水中普萘洛尔的研究。分别探索了氯投加量、pH值、腐殖酸、常见阴离子、铵根离子等环境因素对该体系的影响。研究得出单独UV-LED辐照和单独氯氧化不能有效地降解PRO,但UV-LED/氯对PRO的降解有明显的协同效应(15min时降解率在95%左右),主要归功于是紫外光解氯产生活性物种(RCS、HO·、1O2等)的氧化作用。当PRO与氯的摩尔比为1:4时,PRO即能达到很高的去除率(95%)。pH值对UV-LED/氯降解PRO的影响较小,偏碱性时PRO降解速率略微高。UV-LED/氯对PRO的降解符合伪一级反应动力学。我们在研究环境介质对该体系的影响中发现:碳酸氢根离子和氯离子对PRO的去除无显著影响;腐殖酸和铵根离子抑制PRO的去除。对比不同光源与氯联用对PRO去除效果,发现波长范围为200-1000nm的氙气灯的去除效率最低,15min内仅去除24.8%PRO,波长254nm的高压汞灯和波长275nm的UV-LED灯均可使PRO去除率达到95%以上,但PRO在UV254/氯体系下降解速率更快。本文对UV-LED/氯体系降解水中普萘洛尔的机理进行了研究。使用叔丁醇作淬灭剂时,捕获到了体系中产生的HO·和Cl·;采用电子顺磁共振技术(EPR)捕获到了1O2。我们通过LC-MS技术对PRO的降解产物进行测定,发现在UV-LED/氯体系下PRO主要发生取代反应生成了5种可能的降解产物,但并未彻底矿化。反应过程的TOC值仅轻微波动,前后差别1%左右,再一次证明PRO未彻底矿化的现象。同时采用明亮发光杆菌T3法检测水样的急性毒性,明确UV-LED/氯体系降解PRO的过程中生成了比母体具有更高毒性的氧化副产物。论文最后初步探究了UV-LED/氯体系降解水中普萘洛尔的和应用和适用性。我们取华中科技大学东九湖水作为天然水体,对比了PRO在天然水体和超纯水体系下降解效果,天然水体的本底物质对PRO的降解氯和降解速率均有抑制。验证了UV-LED/氯体系对其他TOrCs的降解作用,相同条件下,磺胺甲恶唑、盐酸土霉素、加替沙星、对乙酰氨基酚、氯霉素、卡马西平在15min内的降解率分别为99.7%、99.0%、98.5%、47.7%、31.5%、15.1%,说明UV-LED/氯体系对污染物的降解具有较广泛的适用性和一定的选择性。
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