KMnO4氧化去除水中卤代酚类有机污染物的效能与机理

摘要

卤代酚类化合物作为水环境中普遍存在的典型嗅味物质一直是水处理领域的研究热点。卤代酚类化合物具有难降解和水溶性强的特点，而且对生物具有一定的毒害作用。KMnO4用于去除水中卤代酚类化合物具有比较突出的优势，一方面能够氧化卤代酚类化合物的酚羟基不饱和官能团，另一方面KMnO4在氧化过程中不会产生有毒有害副产物，与次氯酸、臭氧氧化过程中生成氯代、溴代副产物相比具有明显的优势。因此，本文研究了KMnO4降解卤代酚类有机污染物的反应动力学、环境因素（阳离子、络合剂）的影响和氧化耦合产物的生成机理。
　　在不同pH假一级动力学实验条件下（pH=4~10，KMnO4浓度>>卤代酚浓度），利用高效液相色谱（HPLC）对卤代酚类有机污染物的浓度进行测定，研究了KMnO4氧化降解卤代酚（碘酚、溴酚和氟酚）的动力学规律。研究结果表明，KMnO4能够有效的氧化降解含有不饱和官能团的卤代酚类化合物，遵循二级反应动力学规律，二级反应速率常数k(M-1 s-1)受pH影响较大。在pH=4、5条件下，KMnO4氧化降解卤代酚化合物出现自催化现象，即反应过程中生成的锰氧化物对KMnO4氧化降解卤代酚化合物起到催化作用。KMnO4氧化卤代酚化合物二级反应速率常数k随pH出现先增大后减小现象，即KMnO4对卤代酚化合物的氧化与卤代酚化合物的pKa有关，当pH小于pKa时，氧化速率随pH升高而升高，当pH大于pKa时，氧化速率随pH升高反而降低。
　　假一级动力学实验条件下，研究了阳离子、络合剂对KMnO4氧化降解卤代酚动力学规律的影响。研究结果表明，常见阳离子（Ca2+、Mg2+）对KMnO4氧化降解卤代酚化合物几乎没有影响。因此，在实际工程中运用 KMnO4作为氧化剂去除水中的卤代酚类有机物时就不用考虑水中常见阳离子的影响。络合剂（EDTA、NTA、焦磷酸）对KMnO4氧化卤代酚有机物具有明显的促进作用。络合剂的促进作用遵循中间价态锰理论，即络合剂可以加强KMnO4氧化卤代酚有机物过程中生成 Mn(III)的稳定性，抑制了Mn(III)的自分解，继而发挥了Mn(III)的氧化能力。
　　采用三重四级杆串联线性离子阱液相质谱仪（AB SCIEX QTRAP5500， LC-MS/MS）对KMnO4氧化产物进行分析测定。研究中利用建立的LC-MS/MS-PIS（Br-m/z79和81）子找母质谱方法对KMnO4氧化2,4-二溴苯酚（2,4-DBrP）的产物进行检测，测得3个主要含溴氧化耦合产物。(1)产物I的质量数为497/499/501/503（m/z79），推测由两个2,4-DBrP自由基通过邻位C-O耦合产生，为一种多溴联苯醚（2’-OH-BDE-68）；(2)产物II的质量数为497/499/501/503（m/z79），与产物 I为同分异构体，推测由两个2,4-DBrP自由基通过邻位 C-邻位 C耦合产生；(3)产物 III的质量数为419/421/423（m/z79），推测由两个2,4-DBrP自由基通过脱1个溴产生，结构中含有1个羟基和3个溴。理论上的聚合产物并没有全部检测到，主要是由于酚氧自由基的氧化耦合速率不同，则形成耦合产物的产率不同。

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第1章 绪 论

1.1卤代酚类有机污染物

1.2 KMnO4氧化除污染规律

1.3 课题的目的与意义和主要内容

第2章 实验材料与方法

2.1目标污染物的选择

2.2主要试剂与仪器

2.3实验方法

2.4 分析方法

第3章 KMnO4降解卤代酚有机物动力学分析

3.1 KMnO4氧化降解碘酚有机物的动力学

3.2 KMnO4氧化降解溴酚有机物的动力学规律

3.3 KMnO4氧化降解氟酚有机物的动力学规律

3.4 本章小结

第4章 阳离子和络合剂对KMnO4降解卤代酚有机物的影响

4.1 阳离子Ca2+和Mg2+对KMnO4氧化降解2,4-DBrP的影响

4.2 络合剂对KMnO4氧化降解2,4-DBrP的影响

4.3 本章小结

第5章 KMnO4氧化溴酚类污染物的产物分析

5.1 KMnO4氧化降解2,4-DBrP的产物分析与机理推测

5.2 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

致谢