【摘 要】
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土壤有机污染已成为一个普遍存在的环境问题。土壤有机污染物,如多环芳烃、有机氯化合物、有机磷化合物等,由于其存在的广泛性、持久性、复杂性以及对人类健康的潜在风险性,引起了环境领域的极大关注。基于过硫酸盐(PS)的高级氧化技术是近些年来发展起来的针对土壤和地下水修复的新技术。通过活化PS可以产生具有高活性的氧化性自由基(SO4·-和·OH),能快速降解土壤中大多数有机污染物。在众多活化方式中,微波(M
【基金项目】
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国家重点研发计划项目“复合有机污染场地土壤高效强化化学氧化/还原协同修复技术”(编号:2018YFC1802004);
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土壤有机污染已成为一个普遍存在的环境问题。土壤有机污染物,如多环芳烃、有机氯化合物、有机磷化合物等,由于其存在的广泛性、持久性、复杂性以及对人类健康的潜在风险性,引起了环境领域的极大关注。基于过硫酸盐(PS)的高级氧化技术是近些年来发展起来的针对土壤和地下水修复的新技术。通过活化PS可以产生具有高活性的氧化性自由基(SO4·-和·OH),能快速降解土壤中大多数有机污染物。在众多活化方式中,微波(MW)活化PS因其高效快捷、操作灵活、选择性加热、适用范围广等优点,具有较高的应用前景。然而在实际土壤修复过程中,由于污染场地环境和影响因素复杂多变、污染物种类繁多,单独的MW/PS氧化技术难以达到预期修复目标。因此,本文以MW/PS体系为基础,通过加入外源物质(Fe3O4)和调控体系含氧状态两种方式分别对土壤中芘和对氯硝基苯的降解效果进行强化。探索了不同条件下体系中活性氧(ROS)的生成以及污染物的降解过程,为MW/PS体系高效修复有机污染土壤提供了理论基础,拓展了应用范围。主要研究结果如下:(1)采用反相共沉淀法制备磁性纳米Fe3O4材料,研究了纳米Fe3O4催化MW/PS对土壤中芘降解的增强作用。通过扫描电子显微镜、X-射线衍射分析、比表面积及孔径分析、X射线光电子能谱分析、傅里叶红外等表征手段以及电化学性能分析,表征了纳米Fe3O4的物理性质和化学性质,证实了Fe3O4在MW/PS体系中具有良好的催化性能。探究了Fe3O4含量、PS浓度、MW温度和土壤含水率等因素对芘降解的影响。结果显示,在最佳实验条件下其降解效率可以达到91.4%,反应速率常数是单独MW/PS体系的3倍。采用顺磁共振波谱仪(EPR)和自由基淬灭反应分析鉴定了体系中主要的ROS为SO4·?、·OH、O2·-和~1O2。通过气相色谱-质谱联用(GC-MS)技术分析检测了Fe3O4/MW/PS体系中芘降解的中间产物,并利用T.E.S.T模型预测产物毒性,结果显示,各中间产物毒性较芘均有明显降低。并且纳米Fe3O4重复使用四次后,仍具有良好的催化性能。(2)在MW/PS体系中,研究了通过调控有氧和厌氧条件实现土壤中对氯硝基苯的高效降解,并考察了不同含氧状态下PS浓度和MW温度的影响。结果表明,氧气对MW/PS体系降解对氯硝基苯存在较大影响,体系在厌氧条件下对氧化剂的依赖性较小,对温度的敏感性增强,相同MW温度和PS浓度下降解效率更高(有氧50.2%、厌氧84.3%)。利用EPR和自由基猝灭实验分析鉴定了不同体系中的ROS,揭示了厌氧条件下生成的还原性自由基(S2O8·-)和猝灭实验中产生的醇自由基对对氯硝基苯降解的促进作用。通过GC-MS鉴定对氯硝基苯降解的中间产物,推测了潜在的降解路径。结果表明,在MW/PS体系中,有氧条件下对氯硝基苯的降解以氧化性自由基(SO4·?、·OH)氧化为主;而厌氧条件下,对氯硝基苯首先被还原性自由基(S2O8·-)还原为对氯亚硝基苯和对氯苯胺,后被SO4·-和·OH氧化降解,且对氯硝基苯降解的中间产物毒性经T.E.S.T模型预测后显示均显著降低。最后探究了不同氧气条件下复合有机污染土壤(对硫磷、芘、对氯硝基苯)在MW/PS体系中的降解效果。结果表明,先厌氧(30 min)后有氧(30min)的组合条件下,MW/PS体系较单独厌氧和单独有氧更适合降解复合有机污染土壤中的污染物。
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