论文部分内容阅读
糖皮质激素(glucocorticoids,GCs)作为一类重要的环境激素,对人类和动物的生命活动有重大意义。研究表明,在地表水中存在多种GCs(ng?L-1级),糖皮质激素会影响人体内分泌系统和免疫系统,排入水体的糖皮质激素会危害水生生物。故水环境中GCs类物质的污染和治理措施不可忽略。常压等离子体射流技术(Atmospheric pressure plasma jet technology,APPJT)是一种高效、环保的新型高级氧化技术,具有操作简便、处理效果好以及不需要新添其他化学药剂等优点。而活性炭纤维(Activated carbon fiber,ACF)因相对颗粒活性炭具有更大的比表面积、孔容等优点,显示出越来越多的优势,在应用上有突飞猛进的发展。
综上背景,本文实验选择氢化可的松(Hydrocortisone,HC)、倍他米松(Betamethasone,BT)和氟轻松(Fluocinolone acetonide,FA)作为待处理的目标污染物,主要研究APPJT对降解HC、BT和FA影响因素和机理研究,并进一步探究常压等离子体联合活性炭纤维(APP/ACF)技术降解水中糖皮质激素的影响因素研究,在此基础上进一步改性活性炭纤维,初步探讨分析常压等离子体联合硫酸亚铁改性活性炭纤维(APP/ACF-Fe)技术降解糖皮质激素的效能、机理及协同机制研究。主要研究内容及结果如下:
(1)考察了APPJT放电功率、气体流量和溶液初始pH值对HC、BT和FA降解效率的影响。在22.7~57.5W的放电功率范围内,APPJT放电处理污染物的效果随着放电功率的增加而变好。放电功率为49.7W时,等离子体放电处理120min,APPJT对HC、BT和FA的去除率分别可以达到98%、66%和64%;在一定气体流量范围内(3~4L/min),HC、BT和FA的去除率均随着气体流量的增大而增大,当气流量增加到6L/min时,BT和FA的降解率被抑制;碱性条件抑制HC和BT降解,弱酸性条件促进其降解,酸性和碱性条件均抑制FA降解效果;不同水基质对APPJT处理HC、BT和FA的降解效率影响不大(去除率变化HC<8%,BT<13%,FA<10%),表明APPJT在不同水体基质中都能有效去除水中的HC、BT和FA。
(2)通过pH计和电导率仪检测到APPJT放电过程中pH值一直下降(6.5到4.0)和电导率缓慢上升(2μS/cm到936μS/cm);通过OES检测验证APPJT放电过程中产生了各种活性粒子;并通过自由基捕获实验进一步验证了?OH、1O2和?O2?在APPJT系统中对HC、BT和FA去除效果的影响。
(3)对ACF进行预处理和物理表征,以GCs溶液作为目标污染物进行吸附实验,结果表明ACF对HC、BT和FA有良好的吸附效果,其以化学吸附为主,同时有一定的物理吸附。通过研究APP/ACF放电处理过程中放电功率和ACF投加量的影响,明确最佳ACF投加量为0.1g,最佳放电功率为34.8W;并在最优操作条件下,得到最佳硫酸亚铁溶液浓度(质量分数为1%)改性活性炭纤维(ACF-Fe)。通过SEM、BET、FTIR表征手段分析ACF和ACF-Fe物化性质,表明放电和改性有利于改善ACF的物化性质。最后对比三种技术(APPJT、APP/ACF和APP/ACF-Fe)对GCs溶液的去除效率,APP/ACF-Fe联合技术处理GCs溶液60min,HC、BT和FA的去除率分别达到了94%、81%和48%。
(4)通过UHPLC-QTOF检测了APP/ACF-Fe联合技术降解GCs的降解产物,实验中分别鉴定出HC、BT和FA的12种、9种和12种降解产物,并推测了它们合理的降解路径,结果表明HC、BT和FA降解过程中主要为活性粒子氧化酮酸、取代氟原子、酮酸脱羧、分子内环化和裂解等反应;通过发光细菌法急性毒性实验分析,表明APP/ACF-Fe联合技术处理GCs溶液相较APPJT和APP/ACF对水生微生物活性的影响更小。
综上背景,本文实验选择氢化可的松(Hydrocortisone,HC)、倍他米松(Betamethasone,BT)和氟轻松(Fluocinolone acetonide,FA)作为待处理的目标污染物,主要研究APPJT对降解HC、BT和FA影响因素和机理研究,并进一步探究常压等离子体联合活性炭纤维(APP/ACF)技术降解水中糖皮质激素的影响因素研究,在此基础上进一步改性活性炭纤维,初步探讨分析常压等离子体联合硫酸亚铁改性活性炭纤维(APP/ACF-Fe)技术降解糖皮质激素的效能、机理及协同机制研究。主要研究内容及结果如下:
(1)考察了APPJT放电功率、气体流量和溶液初始pH值对HC、BT和FA降解效率的影响。在22.7~57.5W的放电功率范围内,APPJT放电处理污染物的效果随着放电功率的增加而变好。放电功率为49.7W时,等离子体放电处理120min,APPJT对HC、BT和FA的去除率分别可以达到98%、66%和64%;在一定气体流量范围内(3~4L/min),HC、BT和FA的去除率均随着气体流量的增大而增大,当气流量增加到6L/min时,BT和FA的降解率被抑制;碱性条件抑制HC和BT降解,弱酸性条件促进其降解,酸性和碱性条件均抑制FA降解效果;不同水基质对APPJT处理HC、BT和FA的降解效率影响不大(去除率变化HC<8%,BT<13%,FA<10%),表明APPJT在不同水体基质中都能有效去除水中的HC、BT和FA。
(2)通过pH计和电导率仪检测到APPJT放电过程中pH值一直下降(6.5到4.0)和电导率缓慢上升(2μS/cm到936μS/cm);通过OES检测验证APPJT放电过程中产生了各种活性粒子;并通过自由基捕获实验进一步验证了?OH、1O2和?O2?在APPJT系统中对HC、BT和FA去除效果的影响。
(3)对ACF进行预处理和物理表征,以GCs溶液作为目标污染物进行吸附实验,结果表明ACF对HC、BT和FA有良好的吸附效果,其以化学吸附为主,同时有一定的物理吸附。通过研究APP/ACF放电处理过程中放电功率和ACF投加量的影响,明确最佳ACF投加量为0.1g,最佳放电功率为34.8W;并在最优操作条件下,得到最佳硫酸亚铁溶液浓度(质量分数为1%)改性活性炭纤维(ACF-Fe)。通过SEM、BET、FTIR表征手段分析ACF和ACF-Fe物化性质,表明放电和改性有利于改善ACF的物化性质。最后对比三种技术(APPJT、APP/ACF和APP/ACF-Fe)对GCs溶液的去除效率,APP/ACF-Fe联合技术处理GCs溶液60min,HC、BT和FA的去除率分别达到了94%、81%和48%。
(4)通过UHPLC-QTOF检测了APP/ACF-Fe联合技术降解GCs的降解产物,实验中分别鉴定出HC、BT和FA的12种、9种和12种降解产物,并推测了它们合理的降解路径,结果表明HC、BT和FA降解过程中主要为活性粒子氧化酮酸、取代氟原子、酮酸脱羧、分子内环化和裂解等反应;通过发光细菌法急性毒性实验分析,表明APP/ACF-Fe联合技术处理GCs溶液相较APPJT和APP/ACF对水生微生物活性的影响更小。