模拟太阳光作用下水环境中烷基酚光转化机理研究

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典型的内分泌干扰物壬基酚(Nonylphenol, NP)和辛基酚(Octylphenol, OP)因其在工业过程的广泛应用,现在普遍存在于水体环境中,且因为其环境持久性、生物累积性及生殖毒性而受到人们的广泛关注。本论文选取4-n-NP、4-t-OP作为研究对象,研究其在水溶液体系中的光化学行为;并着重模拟水环境中各常见环境要素,考察它们对NP、OP光转化影响及作用机制,旨在深入理解NP、OP在水环境中的光转化机理和环境行为。主要研究结论如下:在实验室控制光转化条件下,通过测定光转化过程中NP、OP的残留率,考察了天然水环境各主要因素(光照强度、温度、浓度、pH、Fe(Ⅲ)、DO、NO3-、H2O2、HCO3-、HA等)对它们光转化的影响。结果表明,DO、NO3-、H2O2、HA是影响NP、OP在水环境中光转化的重要因素,而温度、光照强度、浓度、Fe(Ⅲ)、pH、HCO3-等对APs的转化影响较小。在不同介质(纯水、人工海水和天然海水)中,DO、NO3-、H2O2、HA均在NP、OP的光转化中起重要作用,但由于不同体系中所含物质的差异性,且主要组分在光转化时生成的活性粒子与NP、OP作用机理不同,导致了不同目标物、不同体系间光转化速率间的差异较大。在此基础上,通过转化中间产物的检测,系统研究NP、OP在水中的光转化机理。NP在DO作用下产物主要有4-壬基-邻苯二酚、壬醇、壬醛和壬酸,其中以壬酸为主。推测NP在O2-作用下,生成邻酚类物质,继续反应转变为邻醌再发生共轭加成;共轭加成产物不稳定,生成壬醇、壬醛和壬酸。H2O2光照生成的OH进攻NP的三个电子云较集中的位置(即碳链末端、酚羟基邻位、连接苯环的烷基碳),主要转化产物有碳链缩短(2-8碳)的酚、4-壬基-邻苯二酚、壬醇、壬醛、壬酸,其中以壬醛为主。NO3-在光照下同时生成OH与NO2,因此具有与H2O2存在时相同的作用机制和转化产物;另外NO2能硝化NP,检测到2-硝基-4-壬基酚。当OH过剩时Cl-的存在有利于OH的充分利用,能够进一步促进反应的进行,当OH较少时则会与NP竞争从而产生抑制作用。转化产物与H2O2单独存在时相同,另外还检测到壬酰氯,其前驱体可能是壬醛。在天然海水中检测到的NP转化产物为4-壬基-邻苯二酚,而其他小分子产物并未检测到,可能是因为在天然海水中存在的活性粒子较多,反应路径较多,产物并不单一,以至最终小分子产物的量比较少,而难以被检测到。水溶液中DO作用下OP的光转化主要产物是4-叔辛基-邻苯二酚。推测反应机理为:吸收光能处于激发态的OP被O2-攻击,生成邻酚类物质。由于未检测到其他小分子产物的存在,邻酚类产物的进一步转化途径尚难推测。水溶液中的H2O2在光照下生成OH,在其作用下OP的主要转化产物有4-叔辛基-邻苯二酚、戊基酚(以前者为主)。推测转化机理为: OH进攻OP的酚羟基邻位,生成4-叔辛基-邻苯二酚;同时OP在OH作用下烷基链末端的叔碳脱掉一个小分子醇,转变为相对较不稳定的仲碳结构,仲碳结构经过重排,转变为两个叔碳直接相连的庚基。但是在光转化后样品中并没有检测到这种物质,可能是由于其末端烷基碳相对更活泼,在OH的作用下极易从烷基脱离,烷基碳逐步脱离的结果最终就转变为戊基酚。NO3-作用下OP光转化产物主要有4-叔辛基-邻苯二酚和2-硝基-4-叔辛基酚,以硝化产物(后者)累积为主,可能是因为该硝化产物较为稳定。推测该机制下OP的光转化机理是NO3-光转化生成的OH与NO2进攻OP的酚羟基邻位。在天然海水作用下,检测到的OP主要转化产物是2-硝基-4-叔辛基酚,可能是因为在天然海水中OP光转化生成的硝化产物相对比较稳定的原因。
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