羟胺促进Fe(Ⅱ)/过硫酸盐体系高活性中间态生成转化机制研究

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基于过硫酸盐的高级氧化工艺可产生选择性相对较高,半衰期也更长的硫酸根自由基(SO4·-),近年来在水体中难降解有机污染物如药物和个人护理品类污染物(PPCPs)的去除领域受到广泛关注。在Fe(Ⅱ)活化过硫酸盐体系中投加羟胺(即羟胺强化Fe(Ⅱ)/过硫酸盐体系)可进一步提高有机污染物的去除率,减少Fe(Ⅱ)的投量和产泥量,已成为目前研究还原剂强化Fe(Ⅱ)/过硫酸盐的代表体系。因此,本文在已有的对有机污染物降解效能研究的基础上,进一步分析了羟胺强化Fe(Ⅱ)/过硫酸盐体系降解有机污染物的动力学规律和羟胺与体系内高活性中间态成分的相互作用对污染物降解的影响,以探究羟胺发挥强化作用的具体机制,为羟胺及其他还原剂强化Fe(Ⅱ)/过硫酸盐体系的后续研究和在水处理中的应用提供理论依据。论文首先考察了羟胺用量和投加方式对羟胺强化Fe(Ⅱ)/过硫酸盐体系中有机污染物降解动力学的影响,发现羟胺对Fe(Ⅲ)的还原作用减缓了体系内Fe(Ⅲ)的生成并使Fe(Ⅱ)浓度发生不均匀变化,导致苯甲酸(BA)在羟胺强化Fe(Ⅱ)/过硫酸盐体系中的降解不遵循假一级反应动力学规律,也与Fe(Ⅱ)/过硫酸盐体系内的快-慢两段反应动力学不同。为进一步揭示羟胺与Fe(Ⅲ)的反应对目标污染物降解的影响,选用还原剂抗坏血酸与羟胺进行对比,基于羟胺和抗坏血酸与Fe(Ⅲ)的具体反应路径建立了苯甲酸在羟胺强化Fe(Ⅱ)/过硫酸盐和抗坏血酸强化Fe(Ⅱ)/过硫酸盐体系内降解的动力学模型。对比模型拟合求得的动力学参数可知:羟胺和抗坏血酸与Fe(Ⅲ)反应时先分别形成中间态络合物Fe(NH2OH)3+和Fe(H2A)3+,但Fe(H2A)3+还原产生Fe(Ⅱ)的反应速率常数为6.48×10~8·s-1,与Fe(Ⅲ)和羟胺反应的限速步骤N2的产生步骤的速率常数2.8×10~8 L/(mol·s)在同一数量级。而Fe(Ⅱ)产生于限速步骤之前,因此Fe(Ⅲ)与羟胺反应产生Fe(Ⅱ)的整体速度快于抗坏血酸还原Fe(Ⅲ)的速度,从而为羟胺发挥强化作用提供了数据支撑。在利用动力学研究阐明羟胺与Fe(Ⅲ)相互作用关系的基础上,论文进一步分析了引入羟胺对Fe(Ⅱ)/过硫酸盐体系内高活性中间态成分的影响。发现在甲基苯基亚砜(PMSO)降解过程中产物甲基苯基砜(PMSO2)的产率随甲基苯基亚砜初始浓度的增加而增大,随羟胺初始浓度增加而减小,表明Fe(Ⅳ)对甲基苯基亚砜降解的贡献率受甲基苯基亚砜和羟胺浓度的影响。SO4·-、·OH和Fe(Ⅳ)均参与甲基苯基亚砜的降解过程,羟胺的加入使SO4·-的暴露量在60 min内提高了128%;但羟胺对Fe(Ⅳ)的捕获能力最强,导致SO4·-和·OH对甲基苯基亚砜降解的贡献增加。计算SO4·-、·OH和Fe(Ⅳ)的消耗分支比可知,50%以上的SO4·-和·OH被甲基苯基亚砜消耗,Fe(Ⅳ)则与羟胺反应产生Fe(Ⅱ),与Fe(Ⅲ)/Fe(Ⅱ)循环共同促进体系中Fe(Ⅱ)再生,因此在羟胺强化Fe(Ⅱ)/过硫酸盐体系中,羟胺具有促进Fe(Ⅱ)循环和提高自由基对有机污染物降解贡献的双重作用,Fe(Ⅳ)和羟胺的反应对参与有机物降解的主要高活性中间态成分组成的影响不可忽视。由于引入羟胺会影响体系内高活性中间态成分的产生,论文进一步探究了羟胺复合盐种类对有机污染物降解和高活性中间态组成的影响。发现盐酸羟胺体系内苯甲酸的去除率高于同等羟胺含量的硫酸羟胺体系。而在硫酸羟胺强化Fe(Ⅱ)/过硫酸盐体系中加入Cl-时,苯甲酸降解的经验反应速率常数是无Cl-时的42.5倍。甲醇和叔丁醇抑制实验表明硫酸羟胺体系中SO4·-和·OH同时参与苯甲酸降解。但引入Cl-后,对苯甲酸降解起主要作用的高活性中间态成分仅为·OH,表明Cl-促进参与反应的高活性中间态成分由SO4·-向·OH转化。此外,甲基苯基亚砜在硫酸羟胺强化Fe(Ⅱ)/过硫酸盐体系内的去除率随Cl-浓度升高而增加,但甲基苯基砜的产率随Cl-浓度增大而减小。表明Cl-会抑制Fe(Ⅳ)生成,促进体系内主要高活性中间态成分由Fe(Ⅳ)转化为自由基。因此,羟胺与Cl-共同作用促进了Fe(Ⅱ)/过硫酸盐体系中主要高活性中间态成分由Fe(Ⅳ)向·OH转化,从而促进目标污染物的降解。综上所述,在Fe(Ⅱ)/过硫酸盐体系内引入羟胺不仅会提高目标污染物的去除效率,也会导致目标污染物降解动力学规律发生变化。其内在原因为羟胺与Fe(Ⅲ)和Fe(Ⅳ)的相互作用促进了Fe(Ⅱ)生成并使参与污染物降解的高活性中间态成分由Fe(Ⅳ)向自由基转化。此外,羟胺盐种类也会影响强化效果。使用盐酸羟胺时,共存Cl-会进一步促进高活性中间态成分由Fe(Ⅳ)和SO4·-向反应速率更快的·OH转化,从而达到比硫酸羟胺更好的强化效果。
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