高岭土光化学反应特性及其对EDCs降解过程影响机制研究

摘要

高岭土等致浊物质广泛存在于天然水体中，具有一定的光吸收作用。这些致浊物质在吸收光能后可能释放出活性基团，对水中有机组分的转移转化存在促进作用。同时，随着人类活动强度的增加，内分泌干扰物（EDCs）在天然水体中的含量呈逐年上升趋势。为明确其转移转化特征，本研究以双酚A和17β-雌二醇为代表，系统评价了其在紫外光辐射环境下的矿化和降解情况，以及溶液pH、EDCs初始浓度和共存高岭土含量对上述反应过程的影响，并通过反应动力学拟合、界面物化性质评价以及活性氧自由基检测，提出了高岭土共存环境下的EDCs光化学反应原理，得到的主要研究结论如下： （1）在不含高岭土的体系中，碱性环境不利于双酚A的光解，随着pH的下降，其去除率呈上升趋势；而当体系中有高岭土共存时，双酚A在碱性（pH=9）环境下的去除效率得到一定程度的改善，高于中性环境，酸性环境下则受到一定的抑制，去除率下降3.0%~6.0%。与双酚A不同，17β-雌二醇的光降解速率在碱性环境下最高，中性环境最小，高岭土的存在对这一趋势则无明显影响。此外，引入高岭土后，在各pH环境下，均将抑制17β-雌二醇的去除。 （2）双酚A的光降解过程符合一级反应动力学特征，pH和共存高岭土含量对这一规律无明显影响；随着双酚A初始浓度的增加，光解反应速率常数k逐渐降低，k值的减小导致半衰期呈现上升趋势。与双酚A不同，17β-雌二醇只有在强碱性条件下的光解过程符合一级反应动力学规律，在酸性和中性环境下，光照4.0 h以后才符合一级反应动力学规律。当其初始浓度为8 mg/L时，光解反应速率常数k最大，半衰期最小，增加或减小17β-雌二醇含量均会使反应速率常数k减小，进而使得半衰期增长。对于出现上述差异的原因可能与两种物质物化性能的差异有关。 （3）在有高岭土共存的体系中，酸性和中性环境不利于羟基自由基的形成，加之高岭土对光的散射、遮蔽和吸收作用，使得双酚A和17β-雌二醇的光化学反应过程受到抑制；在碱性条件下，高岭土悬浊液受到光激发后形成的羟基自由基含量最高，羟基自由基对双酚A氧化的促进作用大于高岭土对光的散射、遮蔽和吸收作用形成的不利影响。对于17β-雌二醇，由于其抗氧化能力相对较强，使得羟基自由基对其促进作用小于高岭土对光的散射、遮蔽和吸收作用。 （4）进一步研究表明，紫外辐射过程使得高岭土表面-OH结构所占比例下降，并伴随其荷电性质的改变和体系中羟基自由基的形成。除羟基自由基的强化氧化作用外，高岭土形成的微界面体系对EDCs也具有一定的吸附作用，但其贡献量相对较低。以双酚A为例，高岭土共存时，其在紫外辐射4h后的去除率（pH=9.0）比对照样提升了9.7%。其中，羟基自由基形成后的氧化贡献量约为6.2%，明显高于高岭土的吸附贡献（3.5%）。 综上述可知，天然环境下EDCs光解过程不但受溶液pH环境以及高岭土等致浊物质的影响，还受其自身结构差异的制约。同时，体系中其它共存物质如Ca2+、Mg2+还将通过改变高岭土在体系中的可给性（聚集状态）、促进或抑制羟基自由基的形成影响EDCs的降解效率。上述发现以及本研究所得结论将为天然水环境中EDCs转移转化研究提供新的思路，对认识高岭土等致浊物质形成的微界面体系在水化学反应中的作用和功能有着重要意义。

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