羟基卤代联苯醚和新型溴代阻燃剂在水中的环境光化学转化

摘要

羟基卤代联苯醚(HO-PXDEs)和新型溴代阻燃剂(NBFRs)作为新型有机污染物已经在环境中被广泛检出，研究它们的环境转化行为对评价其环境风险具有重要意义。已有研究表明光化学转化是HO-PXDEs在水环境中重要的消减途径，在其光转化过程中可以生成毒性更强的二噁英产物，然而，HO-PXDE光化学转化生成二噁英产物的具体途径还不清楚。NBFRs在水中能否发生光化学转化，光转化过程中是否生成毒性更强的产物还未见报道。因此，本论文围绕HO-PXDEs的光转化途径及NBFRs的光转动力学和产物开展研究，并探究天然水中重要的光敏物质溶解性有机质(DOM)对HO-PXDEs和NBFRs光化学转化的影响及机理，具体研究内容和结论如下:
　　(1)以三氯生和2'-HO-BDE-28为HO-PXDEs的模型化合物，采用模拟光照实验，并结合密度泛函理论(DFT)计算，研究了三氯生和2'-HO-BDE-28的直接光解反应途径和溶解氧的作用。结果发现，三氯生和2'-HO-BDE-28从激发单线态进行直接光解反应，可分别生成2，8-二氯代二苯并二噁英(2，8-DCDD)和2，8-二溴代二苯并二噁英(2，8-DBDD)。水中溶解氧可通过生成单线态氧(1O2)和羟基自由基(·OH)引发三氯生和2'-HO-BDE-28的自敏化光解。DFT计算结果进一步显示，自敏化光解过程中的1O2是由两种物质的激发三线态和O2发生能量转移生成;·OH则是由两种物质的激发态和O2发生电子转移生成的超氧阴离子自由基进一步发生歧化反应生成。
　　(2)以Suwannee River天然有机质(SRNOM)为DOM代表，研究了SRNOM对三氯生和2'-HO-BDE-28在人工河口水中光化学转化动力学以及二噁英产物产率的影响。结果表明，SRNOM可通过光屏蔽效应、静态和动态淬灭效应抑制三氯生和2'-HO-BDE-28的光解。同时，SRNOM可以通过生成激发三线态DOM(3DOM*)，1O2和·OH等引发目标物质的间接光解。SRNOM对HO-PXDEs光解的促进效应远小于抑制效应，综合表现为SRNOM抑制了目标化合物的光解。SRNOM可以提高三氯生和2'-HO-BDE-28分别生成2，8-DCDD和2，8-DBDD的产率，对2，8-DCDD的降解速率没有影响，而可以提高2，8-DBDD的降解速率。人工河口水中的卤素离子对SRNOM敏化产生的活性物种的淬灭作用使得SRNOM对2，8-DCDD的降解没有影响，而Cl-和SRNOM共同存在时，可以促进2，8-DBDD的降解。
　　(3)以5种基于2，4，6-三溴苯酚合成的三溴苯氧基阻燃剂[包括烯丙基-2，4，6-三溴苯氧基醚(ATE)、2-溴烯丙基-2，4，6-三溴苯氧基醚(BATE)、2，3-二溴丙基-2，4，6-二溴苯氧基醚(DPTE)、1，2-二（2，4，6-三溴苯氧基）乙烷(BTBPE)和2，4，6-三（2，4，6-二溴苯氧基）-1，3，5-二嗪(TTBP-TAZ)]为模型化合物，采用模拟光照实验研究了它们在正己烷和甲醇中的光化学转化动力学，测定了DPTE和BTBPE的光转化产物。结果发现，五种NBFRs在光照条件下均可以发生光化学转化，正己烷和甲醇中表观光解速率常数（kobs）的大小顺序均为:BTBPE＞ATE＞BATE＞TTBP-TAZ＞DPTE，对于只有一个苯环并且有一个支链的ATE，BATE和DPTE，其kobs随着支链上溴原子数目的增加而降低，光解量子产率（Φ)介于TTBP-TAZ在正己烷中的0.012和BTBPE在甲醇中的0.091之间。DPTE的主要光转化途径是苯环上还原脱溴生成低溴代产物;BTBPE的主要光转化途径包括还原脱溴和醚键断裂生成2，4，6-三溴苯酚和2，4-二溴苯酚等产物，溴酚作为产物被检出增强了这类物质的潜在环境风险。
　　(4)以在天然水中被经常检出的DPTE为代表，测定了其在淡水和海水中的光化学转化动力学参数和产物，探究了四种商品化的淡水DOM以及从海水中提取的DOM对其光转化动力学的影响。结果显示，DPTE在天然水样中的光解快于纯水中，在海水中光解快于淡水中。DPTE的直接光解Φ为0.008±0.001，基于Φ估算得到北纬40°表层水体中直接光解半减期在夏季从20.1天到25.9天。淡水DOM可以通过生成3DOM*和·OH促进DPTE的光解，当Cl-和DOM共存时可以进一步提高DPTE的光转化速率，海水DOM的促进效应强于淡水DOM。在淡水和海水水样中检出了DPTE的还原脱溴、醚键断裂和羟基化产物，在海水中还检出了氯代产物，说明Cl-参与了DPTE的光转化过程。
　　本研究阐明了HO-PXDEs光化学转化过程中激发态和溶解氧的作用，研究了NBFRs的模型化合物的光化学转化过程，揭示了溶解性有机质对两类物质光解动力学影响，对深入理解卤代有机污染物的光转化机制以及了解它们的环境归趋具有重要意义。

目录

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摘要

图目录

表目录

主要符号表

主要缩写表

1 羟基卤代联苯醚和新型溴代阻燃剂光转化的研究进展及选题依据

1．1 羟基卤代联苯醚和新型溴代阻燃剂的环境水平、毒性效应及转化途径

1．1．1 羟基卤代联苯醚的来源、环境水平和毒理效应

1．1．2 新型溴代阻燃剂的来源、环境水平和毒理效应

1．1．3 羟基卤代联苯醚和新型溴代阻燃剂的环境转化行为

1．2 环境光化学转化及研究方法

1．2．1 光化学转化

1．2．2 环境光化学过程及影响因素

1．2．3 环境光化学研究方法及技术

1．3 羟基卤代联苯醚和溴代阻燃剂的光化学行为研究进展

1．3．1 羟基卤代联苯醚的光化学行为研究进展

1．3．2 溴代阻燃剂的光化学行为研究进展

1．4 本论文选题依据、研究目的、内容和技术路线

1．4．1 选题依据

1．4．2 研究目的和内容

1．4．3 技术路线

2 三氯生和2'-HO-BDE-28的光解途径研究

2．1 引言

2．2 材料与方法

2．2．1 实验材料

2．2．2 光解实验及量子产率测定

2．2．3 仪器分析

2．2．4 密度泛函理论计算

2．3 结果与讨论

2．3．1 三氯生和2'-HO-BDE-28的光解动力学与量子产率

2．3．2 溶解氧的作用

2．3．3 直接光解中激发态的作用

2．3．4 二噁英产物

2．4 小结

3 溶解性有机质(DOM)对三氯生和2'-HO-BDE-28光解的影响

3．1 引言

3．2 材料与方法

3．2．1 实验材料

3．2．2 人工河口水配制

3．2．3 光解实验

3．2．4 吸收光谱及量子产率测定

3．2．5 二噁英产物

3．3 结果与讨论

3．3．1 三氯生和2'-HO-BDE-28的光解动力学

3．3．2 SRNOM对光解动力学的影响

3．3．3 人工河口水中的二噁英产物

3．3．4 SRNOM对二噁英产物的影响

3．4 小结

4 五种新型溴代阻燃剂的光化学转化

4．1 引言

4．2 材料与方法

4．2．1 实验材料

4．2．2 光解实验及量子产率测定

4．2．3 仪器分析

4．2．4 密度泛函理论计算

4．3 结果与讨论

4．3．1 五种NBFRs的光解动力学与量子产率

4．3．2 五种新型溴代阻燃剂的环境表观光解半减期

4．3．3 分子结构描述符与光解动力学参数的相关性

4．3．4 DPTE和BTBPE的光转化产物

4．4 小结

5 新型溴代阻燃剂DPTE在天然水中的光化学转化

5．1 引言

5．2 材料与方法

5．2．1 实验材料

5．2．2 光解实验及量子产率测定

5．2．3 与1O2和·OH的反应活性测定

5．2．4 仪器分析

5．2．5 量子化学计算

5．3 结果与讨论

5．3．1 DPTE在水中的光解动力学与量子产率

5．3．2 DPTE与1O2和·OH的反应活性

5．3．3 DOM对DPTE光解的影响

5．3．4 Cl-和海水DOM对DPTE光解的影响

5．3．5 在淡水和海水中的光转化产物

5．4 小结

6 结论和建议

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

作者简介

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢