次氯酸钠去除水环境中酚类EDCs的降解动力学及其转化机理研究

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酚类内分泌干扰物(endocrine disruptor chemicals,EDCs),例如2,4-二溴苯酚(2,4-dibromophenol,2,4-DBP)、双酚A(bisphenol A,BPA)、4-氯苯酚(4-chlorophenol,4-CP)和壬基酚(nonylphenol,NP)是环境中最常检测到的污染物,广泛用于工业生产。2,4-DBP是用于合成木材防腐剂和阻燃剂的中间体,主要通过生产废水排放到自然水体中。除了人工合成之外,在海洋环境中可以自然形式形成大量的溴酚类污染物(bromophenols,Br Ps)。BPA是一种典型的环境内分泌干扰物,常用于塑料生产、食品包装等。4-CP主要存在于生产农药、纸张以及石化产品的工业废水中。NP广泛用于制造非离子表面活性剂、润滑剂和添加剂的原料。这些酚类EDCs表现出的内分泌干扰效应和细胞毒性越发引起人们的关注。次氯酸钠是饮用水处理厂(drinking water treatment plants,DWTPs)中最常用的消毒剂和氧化剂。由于酚类EDCs进入环境的直接途径主要是生产和生活废水的排放,故研究其在NaClO氯化系统中的转化行为和机理尤为重要。鉴于此,本论文系统地研究了在水环境中NaClO去除酚类EDCs的转化行为和机理。具体由以下3个方面展开:(1)研究了有效氯投加量、pH以及无机阴阳离子对2,4-DBP氯化反应动力学的影响。结果表明,活性氯在p H 5.0~11.0范围内可以有效降解2,4-DBP,其表观二级反应速率常数kapp介于0.8~110.3 M-1·s-1之间。铵根离子可以竞争性消耗有效氯,当其(5 m M)加入氯化反应体系中时几乎完全抑制了氯化反应。当反应体系中加入5 m M溴离子时,由于次溴酸的形成,氯化反应速率增加了约4倍。根据LC-QTOF-MS鉴定的产物结果,氯化反应路径主要包括亲电取代反应和单电子转移反应。利用标准样品进行定量发现氯代产物的浓度约为二聚体产物的4倍,表明亲电取代反应占主导地位。基于DFT的理论计算表明,HOCl是氯化去除2,4-DBP的主要活性物质,聚合反应更容易发生在酚羟基的对位和邻位。(2)研究了单一体系中NaClO降解BPA、4-CP和NP的转化行为。系统地研究了活性氯浓度、溶液p H对酚类EDCs降解的影响。反应20 min后,在10.0、15.0、30.0和60.0μM活性氯的作用条件下,4-CP(1.0μM)的去除效率分别达到34.2%、79.8%、95.5%和100%。实验发现氯化反应为典型的二级反应,后续的动力学实验中需同步测定实验体系中余氯含量,以此计算得出表观二级反应速率常数kapp。三种酚类化合物均在p H 8~9的反应体系中观察到最大kapp值。通过LC-QTOF-MS分析鉴定了BPA、4-CP和NP在氯化过程中的中间产物,提出主要的反应类型为亲电取代反应和单电子转移导致自由基偶联反应。最后,结合基于密度泛函理论(DFT)的量子化学计算,使反应路径合理化。通过反应吉布斯自由能的计算进一步表明,HOCl是反应体系中的主要活性物种。(3)探讨了复合体系中NaClO降解BPA、4-CP和NP的转化行为。酚类EDCs可通过亲电取代反应和电子转移反应被活性氯有效去除,并生成氯化产物和聚合产物。与单一体系的酚类EDCs降解相比,在复合体系中,三种酚类EDCs的kapp值均增加,并且去除效率也遵循BPA>NP>4-CP的顺序,BPA、4-CP和NP在p H 8.0时的表观二级反应速率常数kapp分别增加了25.0%、8.6%和16.0%。根据产物鉴定结果和基于DFT的量子化学计算发现,交叉聚合反应比自聚反应更容易发生,这可能是复合体系反应速率增加的原因。此外,以腐殖酸作为DOM类似物,讨论其对氯化反应速率的影响,发现HA的添加显著抑制了4-CP、BPA和NP的降解,提出了双通道模型以描述HA对氯化反应体系的抑制作用。以上研究结果有助于我们理解在水环境氯化过程中酚类EDCs的反应机理和环境归趋,为氯化在水和废水处理过程中的应用提供更加有价值的借鉴和参考。
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