两种典型PPCPs的臭氧氧化降解及机理研究

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药物和个人护理品(Pharmaceuticals and Personal Care Products, PPCPs)是一类近年来引起学术界广泛关注的新兴污染物。传统的污水及饮用水处理工艺均不能有效地去除PPCPs,导致PPCPs大量进入水环境并造成一定的生态和健康风险。臭氧氧化工艺作为一种使用愈发广泛的深度处理工艺,已经被证明能有效去除PPCPs,然而彻底矿化效果不佳,生成的有机产物的毒性可能更甚于母体。本研究以两种典型PPCPs——甲氧苄啶与吲哚美辛为对象,研究臭氧氧化降解产物及其毒性变化特点,试图阐明臭氧氧化机理,为实际应用提供理论指导和技术支持。甲氧苄啶臭氧氧化降解实验结果表明,当投加的臭氧摩尔浓度是甲氧苄啶的3倍时,就能达到近乎100%的去除效果,然而在此条件下总有机碳(TOC)几乎没有变化。利用LC-MS-MS等方法鉴定出21种臭氧氧化产物,发现羟基化、羰基化及脱甲氧基是主要的反应途径。臭氧直接反应是甲氧苄啶降解的主要机理,羟基自由基的贡献不大。随着臭氧剂量的增加,溶液对明亮发光杆菌的抑制率由0%逐渐增加,最终稳定在30%左右,推测主要是小分子产物的贡献。青海弧菌毒性测试得到了不同的结果,抑制率自始至终都为0%左右。通过软件估算了甲氧苄啶及其产物对鱼、大型溞和绿藻的毒性,发现不同的生物得到的结论完全不同。吲哚美辛的臭氧氧化降解速率比甲氧苄啶更快,测得吲哚美辛分子与臭氧的反应动力学常数为5.65×105M-1s-1,是文献报道的甲氧苄啶与臭氧反应速率常数的3倍。阴离子态吲哚美辛与臭氧反应动力学常数略高,约为8.54×105M-1s-1。吲哚美辛分子态与离子态和羟基自由基反应动力学常数相差不大,分别为6.71×109M-1s-1和5.51×109M-1s-1。反应同样由臭氧而非羟基自由基主导,主要进攻位点为甲氧基取代的苯环、N原子和C-C双键,反应机理为环加成和亲电进攻,利用LC-MS-MS检测出6种产物。明亮发光杆菌毒性测试表明,随着反应进行,抑制率从初始的50%逐渐下降至一稳定比例。增加反应器入口臭氧浓度,稳定后的抑制率随之降低,且最低可降至0%。反应终点TOC变化规律与抑制率变化情况相似。青海弧菌的结果趋势一致,但更敏感。软件模拟结果与甲氧苄啶类似,三种生物结果并不一致。
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