高铁酸盐的定量分析及其氧化降解2,6-二氯苯酚的研究

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近几十年来,氯酚(Chlorophenols,CPs)作为水和土壤中的持久性有机污染物引起了严重的环境问题。2,6-二氯苯酚(2,6-Dichlorophenol,2,6-DCP)作为一种典型的CPs广泛用于生产染料、杀菌剂、木材防腐剂和药物等的原料和中间体,故其常存在于水环境中。即使在相对较低的浓度下,2,6-DCP仍然具有高毒性,可能危害环境和人类健康。已经报道的用于修复含2,6-DCP废水的方法大致可分为生物、化学和物理法,但是大都存在降解效率低、成本高、降解产物仍具有毒性等局限性。高铁酸盐(Ⅵ)(Ferrate,Fe(Ⅵ))作为一种新兴的、有潜力的、用于修复或消除污染物的环境友好型氧化剂,越来越受到人们的关注。与其他降解方法相比,Fe(Ⅵ)兼具氧化剂、消毒剂和促凝剂等多重功能,去除有机污染物更加经济有效。对于Fe(Ⅵ)的应用而言,高效、灵敏的Fe(Ⅵ)定量分析方法至关重要,但现有的检测方法依然存在操作繁琐、灵敏度低、检出限高等不足。此外,虽然已有大量研究表明利用Fe(Ⅵ)可氧化降解多种CPs,然而未见有利用Fe(Ⅵ)氧化降解2,6-DCP的相关报道。因此,本文不仅旨在建立简便、灵敏的Fe(Ⅵ)测定方法;而且致力于利用Fe(Ⅵ)氧化降解2,6-DCP,并进行动力学、降解性能和反应机理的相关研究。首先,本文基于Fe(Ⅵ)在酸性pH下与过量碘化物反应生成碘三根离子,随后与淀粉反应生成蓝色淀粉-碘络合物,建立了一种测定水溶液中微量Fe(Ⅵ)的新方法。本文优化了反应中最大吸收波长、酸性介质种类和用量、淀粉用量、温度、反应时间和反应物添加顺序等关键测量参数,在最佳测量参数下测量淀粉-碘络合物的吸光度,间接得到溶液中Fe(Ⅵ)的浓度。结果表明,590 nm处的络合物的吸光度与Fe(Ⅵ)的浓度(0.022-50μmmol·L-1)呈线性关系,其测量灵敏度为((4.61±0.05)×10~4)M-1cm-1,该值高于已报道的所有分光光度法结果。此外,本文还通过研究Fe(Ⅵ)与碘化物反应的化学计量比、动力学和机理,推导了可能的反应途径,提出了本法测定Fe(Ⅵ)的原理。Fe(Ⅵ)与I3-的摩尔化学计量比确定为1:2,二者的反应遵循二级速率定律,并表现出明显的反阿伦尼乌斯动力学。本文所建立的定量分析方法在蒸馏水、自来水和湖水中的灵敏度基本一致,表明不同的环境水样并不影响本法的测定结果。随后,本文进行了Fe(Ⅵ)氧化降解2,6-DCP的动力学、效能和机理研究。结果表明2,6-DCP与Fe(Ⅵ)的总反应遵循二级速率定律,对每个反应物而言则为一级,二者的反应速率常数与溶液pH和温度有关。随着溶液pH从8.23到10.45,反应速率常数从(265.14±14.10)M-1·s-1非线性降低到(9.80±0.72)M-1·s-1,该现象与反应物的pH依赖性有关。基于Fe(Ⅵ)(HFe O4-和Fe O42-)和2,6-DCP(2,6-DCP和2,6-DCP-)粒子分布的pH依赖性计算了单个粒子反应特定的二级速率常数,发现2,6-DCP-与HFe O4-的反应在Fe(Ⅵ)和2,6-DCP物种间的四个平行反应中反应速率最快,且二者的数量随pH增加而减少,故Fe(Ⅵ)和2,6-DCP的反应速率随pH增加而减慢。由速率常数与温度的相关性得到反应的活化能为(19.00±1.82)k J·mol-1,表明二者的反应是一个快速反应。研究了2,6-DCP降解效能与溶液pH值和反应物摩尔比的关系,结果表明2,6-DCP的降解效率随着pH的增加而降低,这与动力学研究中反应速率常数的pH依赖性一致;在摩尔比(Fe(Ⅵ)/2,6-DCP)大于或等于6:1时,可实现2,6-DCP的完全降解。使用高效液相色谱-质谱(HPLC-MS)和离子选择电极(ISE)鉴定了2,6-DCP的氧化产物(OPs),根据产物分析结果,提出了Fe(Ⅵ)降解2,6-DCP经脱氯和开环直至生成CO2和H2O详细的反应机理。综上所述,本文所建立的间接分光光度法简单、方便、重现性好、灵敏度高,有望应用于酸性条件下Fe(Ⅵ)与无机或有机污染物反应的动力学研究;同时研究表明2,6-DCP可被Fe(Ⅵ)氧化降解生成无毒产物,且其降解速度快、降解效率高。
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