UV/氯体系中若干种药物类污染物的降解动力学研究

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我国“十四五”规划和2035年远景目标纲要指出:“重视新污染物治理”。2021年10月生态环境部印发《新污染物治理行动方案(征求意见稿)》,指出要“强化新污染物的源头管控、过程控制、末端治理。药物类化合物(pharmaceutically active compounds,Ph ACs)是一类较为典型的新污染物,广泛存在于各类环境水体中。因其具有内分泌干扰活性和诱导菌群抗药性而备受关注。环境水体中的Ph ACs主要来源于市政污水、养殖废水和制药废水。目前的污水处理工艺鲜有将Ph ACs纳入控制指标,即使出水中Ph ACs达到国家相关排放标准,但仍有相当量的Ph ACs进入环境水体,因而污水出水中Ph ACs的深度处理迫在眉睫。近来研究证实紫外/氯(UV/氯)耦合技术是去除水中有机污染物的有效方法,除产生反应非选择性的·OH,还可产生大量的具有高氧化活性和选择性的活性氯物种(reactive chlorine species,RCS),对特定的Ph ACs呈现高反应活性。目前UV/氯技术已广泛用于水中诸多Ph ACs的氧化降解处理。但不同类型Ph ACs其分子结构差异巨大,多数Ph ACs的UV/氯氧化降解机制仍不清楚,有待于深入研究。同时,水体中的水质参数显著影响UV/氯体系中·OH和RCS的生成转化过程,导致Ph ACs的降解过程更为复杂。以往研究通过动力学模型考察UV/氯体系中的活性自由基对污染物降解的作用,但多关注体系中·OH的贡献,而系统探究Cl·、Cl2·–、Cl O·等RCS的作用贡献甚少。基于此,本论文选取市政废水和地表水中普遍检出的磺胺吡啶(磺胺类抗生素)、吉非罗齐(降血脂类药物)和萘普生(消炎止痛类药物)为模型化合物,研究了其在UV/氯体系中的降解机制并考虑了水中主要水质参数的影响,同时构建基于UV/氯体系中可能活性自由基的动力学模型,系统研究·OH和RCS对目标物降解的作用,并对实际水体中污染物的降解动力学进行预测。研究主要结果如下:(1)以磺胺吡啶为模型化合物,研究了其在UV/氯体系中的降解过程机制以及水质参数的影响。自由基淬灭实验表明·OH和Cl·是UV/氯体系中氧化降解磺胺吡啶的主要活性自由基;采用含有磺胺吡啶主要活性位点的小分子模型化合物稳态光化学实验发现,·OH易进攻磺胺吡啶的苯胺基团和黄酰-N基团,而Cl·更易与苯胺基团反应;降解产物降解发现·OH和Cl·诱导磺胺嘧啶发生氧化反应、羟基化、氧化聚合和加成反应。(2)因实际水体中各溶解性组分是共存在的,通过响应面法研究了重要水质参数(p H,溶解性有机质DOM,HCO3–,Cl–)的复合作用对UV/氯体系中磺胺吡啶降解的影响。结果表明在p<0.05显著性水平下,除单一因子外,因子间的相互作用也影响磺胺吡啶降解;进一步优化发现p H和DOM是影响UV/氯体系中磺胺吡啶降解的主导因素,两者对其降解速率影响的贡献高达81.1%。稳态光化学实验表明p H可影响游离氯产生·OH和RCS的表观量子产率,进而影响磺胺吡啶降解;DOM对UV/氯体系中产生活性自由基呈现淬灭效应,从而抑制磺胺吡啶的降解。虽然HCO3–和Cl–对UV/氯氧化磺胺吡啶贡献较小,但仍是显著性影响因素(p<0.05),其主要通过淬灭UV/氯体系中的自由基对磺胺吡啶降解呈现抑制效应。(3)基于UV/氯体系中的活性自由基,并考虑水体中主要水质参数的影响,构建了UV/氯体系中两种模型化合物吉非罗齐和萘普生降解的稳态自由基动力学预测模型。模型预测发现,纯水体系中·OH、Cl·和Cl O·是模型化合物降解的主要活性自由基;Cl–对UV/氯氧化降解吉非罗齐和萘普生呈现促进效应,Cl O·是Cl–增强其降解的主要活性物种;HCO3–对吉非罗齐和萘普生UV/氯氧化也呈现促进效应,虽然HCO3–淬灭·OH和RCS,但该反应过程产生对目标物呈现高反应活性的CO3·–(二级反应速率常数分别为2.45×107和3.50×107 L mol-1 s-1),可补偿淬灭·OH和RCS引发的目标物降解的部分,从而表现为促进效应;DOM对OH和RCS呈现淬灭效应,进而抑制UV/氯氧化降解。基于水质参数的影响构建的稳态自由基动力学模型,成功预测了吉非罗齐和萘普生在3种实际水基质中的降解动力学。
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