超声协同零价铁/过硫酸盐Fenton-like体系降解磺胺类药物及应用研究

摘要

进入二十一世纪以来，药物和个人护理品的环境安全问题已成为水环境保护的研究热点。本文建立了超声协同零价铁活化过硫酸盐（US/Fe0/PS）的联用 Fenton-like体系，以典型药物污染物磺胺嘧啶（SD）为研究对象，考察体系对 SD的强化降解规律。结果表明，US/Fe0/PS体系能显著强化SD的降解，降解过程符合一级动力学且kobs(SD)=3.40±0.20 h-1。并结合响应曲面法对重要实验参数如初始pH、[Fe0]:[PS]投加量、US输入功率和温度进行了优化研究，发现在pH=3.00-7.00，低剂量PS条件下体系能有效降解SD，最优的参数条件为：pH7.00，0.94 mM Fe0，1.90 mMPS和20 W超声输入功率，验证实验可达到模型预测的90％降解率。通过评估不同对照体系中的PS和溶解性铁物种演变规律，推断US在体系中既能促进非均相铁溶解反应，又可加速溶液中的自由基反应。对降解产物鉴别后表明硫酸根自由基（SO4?-）对SD分子的氧化是其主要降解路径。SO4?-会首先攻击苯环上的氨基，随后导致杂环上C-N键的断裂，而另外一条路径即 SO4?-直接攻击断裂S-N键也同时存在。
　　考察了废水杂质（五种无机阴离子和两种有机络合剂）对体系降解SD的影响，发现 SO42-，NO3-，HCO3-/CO32-和 H2PO4-在不同程度上抑制了 SD降解。低浓度的Cl-能促进SD的降解，而高浓度则抑制了SD的降解，并同时检测到氯代中间产物的存在。适量草酸或乙二胺四乙酸（EDTA）有利于体系对SD的降解，过量的络合剂则会成为竞争性污染物。通过研究推断，无机阴离子会与SO4?-和?OH作用产生较低活性的次生自由基，而草酸和EDTA不仅可促进溶解性铁生成，而且能通过铁-络合剂物种发生电子传递，提供额外的氧化剂H2O2和[FeIVO]2+。
　　研究还发现，高浓度腐殖酸（HA）或富里酸(FA)存在时，该体系仍能有效氧化降解SD。反应过程中HA或FA的大分子结构能被氧化破坏为小分子有机产物，一些特征官能团如-NH2被氧化为-NO2。US/Fe0/PS体系处理实际反渗透浓水的应用研究发现，掺入的SD仍可被有效氧化降解，主要的痕量有机物HA和FA会随之分解去除，而增加Fe0/PS的初始投加剂量能加速HA和FA的分解速度。

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1 绪 论

1.1 研究背景

1.2 基于自由基的高级氧化技术研究进展

1.3 本文的研究内容与路线

2 实验方法与手段

2.1 实验试剂与仪器

2.2 实验装置与方法

2.3 分析及表征方法

3 US/Fe0/PS体系降解SD及参数优化研究

3.1 US/Fe0/PS体系对SD强化降解

3.2 参数的影响

3.3 基于响应曲面（RSM）的实验优化设计及验证

3.4 小结

4 US/Fe0/PS体系的反应机理研究

4.1 过硫酸盐和溶解铁物质在体系中的演变规律

4.2 SD降解路径的研究

4.3 US的强化作用及体系的反应机理

4.4 小结

5 水中典型杂质对US/Fe0/PS体系的干扰机制研究

5.1 常见无机阴离子对SD降解影响

5.2 典型有机酸对SD降解的影响

5.3 干扰机制的研究

5.4 小结

6 US/Fe0/PS体系处理反渗透浓水中有机物的研究

6.1 腐殖酸和富里酸对体系降解SD的影响

6.2 腐殖酸和富里酸在US/Fe0/PS体系中的降解

6.3 US/Fe0/PS体系降解反渗透浓水中有机污染物

6.4 小结

7 总结与展望

7.1 研究总结

7.2 研究的创新点

7.3 展望

致谢

参考文献

附录1 攻读硕士期间发表学术论文情况