新型微波无极灯助光电芬顿深度矿化抗生素环丙沙星的机制研究

摘要

近年来，抗生素的生产和使用过程产生的污染问题已经引起广泛关注，而运用高级氧化技术中的光电芬顿方法来处理抗生素废水较为普遍，其中在光源的选择方面，新型光源微波无极灯具有使用寿命长、处理效果好等特点，因此本课题开展微波无极灯辅助光电芬顿体系(MWEL-PEF)对有机物的矿化过程进行机制研究。论文研究以抗生素环丙沙星(CIP)为目标污染物，考查不同反应条件下对CIP的矿化效果的影响，确定最佳反应条件、检测主要降解产物，并提出MWEL-PEF过程中CIP可能的降解途径;此外还对铁源和初始pH进行了优化研究，主要研究工作及结论如下:
　　(1)论文比较了光解、阳极氧化、电化学产生过氧化氢、以及电芬顿及MWEL-PEF等不同过程对CIP降解动力学及TOC去除性能，结果发现MWEL-PEF条件下TOC去除率最高，降解过程符合准一级反应动力学，并具有最大的反应速率常数。
　　(2)论文通过单因素实验考查了电流强度、初始pH、Fe2+投加浓度、初始CIP浓度等操作条件对CIP处理效果的影响，结果显示最佳反应条件是电流0.36 A、pH值为3.0、Fe2+投加浓度1.0 mmol/L、初始CIP浓度为200 mg/L。在优化操作条件下，经360 min反应TOC的去除率可达到76.2％。
　　(3)论文分析了MWEL-PEF体系中CIP的降解产物与机理，论文提出在微波无极灯辐照下H2O2直接生成了·OH，而且微波辐照也会促进目标污染物CIP的分解，从而提高了MWEL-PEF对难降解抗生素CIP的矿化效果，利用UPLC-QTOF-MS/MS技术检测出CIP在MWEL-PEF过程中有七种主要中间产物生成，利用排阻色谱检测到两种小分子有机酸产生。在此基础上，论文提出CIP在MWEL-PEF中可能的降解途径。
　　(4)为简化芬顿过程操作并提高反应效能，论文还尝试改变铁源的供给方式，即在反应体系中加入固相铁源持续产生Fe2+参与芬顿反应。结果显示，利用内部固相铁源可为MWEL-PEF反应提供充足的铁源，CIP的降解效果与外加Fe2+条件基本相当;并且MWEL-PEF过程可以在初始pH值6.0的条件下获得满意的降解效果。固相铁源表面Fe2+溶出、Fe2+参与光芬顿反应及Fe2+氧化过程之间反应速率的平衡对于MWEL-PEF矿化难降解有机物的效能具有重要意义。

目录

声明

致谢

摘要

1 前言

1．1 概述

1．2．1 抗生素的来源

1．2．2 抗生素的危害

1．2．3 环丙沙星的结构与特点

1．3 抗生素环丙沙星的主要处理方法

1．4 常见的高级氧化技术

1．5 光电芬顿技术的机理特点及应用现状

1．6 新型微波无极灯的特点及应用现状

1．7 课题研究思路及方案

2 实验材料与方法

2．1 实验药品及仪器

2．1．1 实验药品及材料

2．1．2 实验仪器

2．2 实验装置

2．3 实验方法

2．3．1 光电芬顿体系中H2O2的生成

2．3．2 光电芬顿体系中Fe2+和Fe3+的转化

2．3．3 光电芬顿降解环丙沙星(CIP)研究

2．3．4 活性炭纤维阴极的预处理

2．4 分析方法

2．4．1 微波无极灯光谱测定

2．4．2 适合(光)电芬顿体系产生H2O2浓度的测定

2．4．3 (光)电芬顿过程中Fe2+与总铁的测定

2．4．4 HPLC测定CIP的降解

2．4．5 TOC分析CIP的矿化

2．4．6 紫外可见光谱测定CIP降解过程

2．4．7 CIP降解过程有机酸的测定

2．4．8 降解无机产物NH4+-N的测定

2．4．9 UPLC-QTOF-MS测定降解产物

2．4．10 CIP降解过程生物毒性的分析

3 MWEL-PEF体系深度矿化环丙沙星的实验研究

3．1 微波无极灯发射光谱特征

3．2 不同反应过程的对比实验

3．2．1 不同反应过程动力学对比

3．2．2 不同反应过程CIP的UV-Vis吸收光谱

3．2．3 不同反应过程TOC、电流效率对比

3．3 条件优化的结果与讨论

3．3．1 电流强度对CIP矿化效果的影响

3．3．2 初始pH对CIP矿化效果的影响

3．3．3 Fe2+投加浓度对CIP矿化效果的影响

3．3．4 初始CIP浓度对CIP矿化效果的影响

3．4 机理分析(H2O2的生成)

3．5 本章小结

4 MWEL-PEF深度矿化环丙沙星的降解机制与毒性分析

4．1 CIP矿化过程的产物分析

4．1．1 无机产物(NH4+-N)

4．1．2 产物有机酸的分析

4．1．3 有机产物(液质)

4．2 CIP矿化过程的毒性分析

4．3 本章小结

5 铁源优化MWEL-PEF体系深度矿化环丙沙星的研究

5．1 不同比表面积铁棒的优化选择

5．2 不同反应过程CIP的UV-Vis吸收光谱对比

5．3 不同反应过程CIP的矿化效果对比

5．4 条件优化实验(加入铁棒)的结果与讨论

5．4．1 电流强度对CIP矿化效果的影晌

5．4．2 初始pH对CIP矿化效果的影晌

5．4．3 初始CIP浓度对CIP矿化效果的影响

5．5 铁源优化实验的机理讨论

5．6 初始pH优化实验研究

5．6．1 不同电流强度下CIP的矿化效果对比

5．6．2 不同背景气体条件下CIP的矿化效果对比

5．6．3 初始pH优化实验的机理研究

5．7 本章小结

6 结论

6．1 结论

6．2 对后续实验研究的展望

参考文献

作者简历

学位论文数据集