真空紫外高级氧化技术降解氟喹诺酮类抗生素的效能和机制研究

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以抗生素为代表的新兴污染物在全世界范围水环境中不断检出,虽然存在浓度低但危害却不容忽视,正受到越来越多的关注。现有的水和污水处理设施在设计之初缺少设置针对性的处理单元,导致现有工艺对抗生素处理效能并不理想。真空紫外(VUV)高级氧化是一种利用高能光谱辐照水分子原位生成羟基自由基(·OH)等活性物种来降解污染物的技术,具有操作简单、无药剂投加和节省能耗的优点。该技术在上世纪中叶即有报道,但近年来依赖于光源的发展受到愈来愈多的重视,甚至被欧洲卓越可持续水技术中心(Wetsus)列为下一代紫外基高级氧化技术。本文采用真空紫外高级氧化技术降解典型氟喹诺酮类抗生素(FQs),分别研究了VUV/UV直接光氧化FQs、溶解氧对VUV/UV光氧化氟喹诺酮类抗生素的影响、VUV/UV/PMS体系降解氟喹诺酮类抗生素以及上述体系降解实际水质中氟喹诺酮类抗生素的效能。重点探究了动力学、剩余抗菌活性去除和能耗等方面特性,揭示了降解路径和降解机制。在有溶解氧条件下,内循环流速为60 L/h、氟喹诺酮类抗生素初始浓度为15μM和反应温度为45℃的条件下氟喹诺酮类抗生素有最高的降解速率。诺氟沙星和环丙沙星的最高降解速率常数分别出现在p H=7/9±0.05和p H=9±0.05,但初始p H值对左氧氟沙星降解速率影响较小。PO43-和HCO3-的p H缓冲作用增强了诺氟沙星和环丙沙星的光降解,SO42-、Cl-和NO3-对·OH的淬灭作用抑制了降解过程。所有阴离子对左氧氟沙星的降解均存在抑制作用。VUV/UV光氧化氟喹诺酮类抗生素主要存在·OH和单线态氧(1O2)两种活性物种:在UV光解体系中1O2为主要活性物种,对诺氟沙星、环丙沙星和左氧氟沙星的贡献率分别为71.98%、94.52%和62.99%;在VUV/UV光氧化体系中·OH对氟喹诺酮类抗生素降解的贡献率较UV光解显著提高,对诺氟沙星、环丙沙星和左氧氟沙星的贡献率从UV光解体系的25.5%、3.35%和22.94%分别提高到60.25%、15.44%和64.64%。·OH诱导氟喹诺酮类抗生素脱氟降解,同时诱导诺氟沙星和环丙沙星脱羧基降解,左氧氟沙星脱甲基降解。VUV/UV光氧化和UV光解三种氟喹诺酮类抗生素的降解路径类似,诺氟沙星和环丙沙星的降解路径主要为:脱氟、哌嗪环氧化和脱羧基降解;左氧氟沙星除了上述降解路径外还有脱甲基降解路径。在相同光源功率下,VUV/UV体系降解氟喹诺酮类抗生素的EE/O显著低于UV光解,尤其是左氧氟沙星EE/O降低了77.2%。研究了溶解氧对VUV/UV光氧化和UV光解诺氟沙星、环丙沙星、培氟沙星和左氧氟沙星四种氟喹诺酮类抗生素降解动力学的影响。在有溶解氧存在下氟喹诺酮类抗生素VUV/UV光氧化降解较UV光解速率更快。进一步研究结果表明水中氧气分子通过物理淬灭其第三激发态抑制氟喹诺酮类抗生素降解。有溶解氧条件下VUV/UV体系中·OH的生成量更多,有利于共轭结构的破坏,有机物的降解更彻底。但TOC检测表明所有体系中氟喹诺酮类抗生素在试验周期内几乎无矿化,转化为小分子产物。诺氟沙星的主要降解路径主要分为四个:脱羧基、哌嗪环破坏+脱氟、哌嗪环氧化和脱氟降解。左氧氟沙星的主要降解路径有三个:脱氟路径、脱甲基路径和哌嗪环氧化降解。构建了VUV/UV/PMS高级氧化体系,并进行了降解培氟沙星和左氧氟沙星的研究。VUV/UV/PMS体系相较于单独PMS氧化、UV光解、VUV/UV光氧化、UV/PMS降解体系更高的氟喹诺酮类抗生素降解速率和更低的单位能量消耗,并且对氟喹诺酮类抗生素共轭结构破坏能力更强。VUV/UV/PMS体系中,在p H=3~5±0.05降解速率差别不大,在p H=11±0.05时由于碱活化PMS作用而具有更高的降解速率,培氟沙星和左氧氟沙星的降解速率常数分别达1.426 min-1和0.351min-1。两种氟喹诺酮类抗生素在初始浓度为7.5μM,PMS初始浓度为5μM和反应温度为45℃条件下具有更高的降解速率。在光源功率为4 W时VUV/UV光源下·OH对TOC的去除具有促进作用,而在8 W光源下氧化剂是TOC去除的绝对因素。VUV/UV/PMS体系中·OH、SO4·-和1O2是主要活性物种,其中·OH占绝对主要贡献,对左氧氟沙星降解贡献率为84.46%。VUV与PMS通过水合电子活化PMS协同降解氟喹诺酮类抗生素。VUV/UV/PMS体系去除自来水、江水和污水消毒前水等实际水质中的氟喹诺酮类抗生素的效能高于VUV/UV光氧化和UV光解,污水消毒前水中的杂质可活化PMS强化氟喹诺酮类抗生素降解。
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