铁基材料非自由基型降解内分泌干扰物机制

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内分泌干扰物(Endocrine Disrupting Chemicals,EDCs)是环境中能够与生物体内的激素受体结合,从而干扰生物内分泌系统正常代谢的一类化合物。由于EDCs浓度低、生物难降解,目前的污水处理厂难以完全去除EDCs,导致EDCs广泛存在于地表水中,危害人类及生态的健康。高级氧化技术(Advanced Oxidation Processes,AOPs)是目前处理EDCs较为有效的技术。传统的AOPs会产生具有强氧化能力的羟基自由基(·OH),能够氧化降解EDCs。然而,正由于·OH的强氧化能力,导致水体中广泛存在的有机物及无机阴离子会与EDCs竞争活性位点,降低EDCs的处理效率。基于此,本研究建立了基于高价铁-氧活性物质的非自由基型氧化体系,能够克服传统AOPs对EDCs选择性低的问题。铁配合物活化氧化剂是高价铁-氧活性物质生成的常见途径。然而,目前的铁配合物稳定性差、易失活,导致污染物降解过程中效率低。因此,在论文的第二章节中制备了高稳定性的桥连四氮杂环十四烷铁配合物(Fe-cyclam),采用C/H/N元素分析及电喷雾电离质谱分析了Fe-cyclam的纯度及结构信息。以H2O2作为氧化剂,构建了均相Fe-cyclam/H2O2催化体系,以罗丹明B(Rh B)为模型底物,初步探讨了该体系的催化氧化能力。在论文的第三章节中,将Fe-cyclam/H2O2催化体系应用于环境雌激素的选择性降解,揭示了该体系的催化机理,并探讨了该体系在环境污中的应用潜力。为了克服均相催化剂不可回收的缺陷,提高基于高价铁-氧活性物质氧化体系在环境中的应用,在论文第四章节中制备了壳聚糖配位的含Fe磁性复合材料(FC900),以过氧单硫酸盐(PMS)为氧化剂,构建了易回收的非均相Fe-壳聚糖/PMS催化体系,用于模型EDCs双酚A(BPA)的氧化降解。本论文主要结果如下:(1)成功合成了Fe-cyclam配合物,该配合物在p H为2-7溶液里保持长期稳定。Fe-cyclam/H2O2体系能够有效去除Rh B。10μM Fe-cyclam就能引起Rh B的持续降解,240 min内的去除率达到95.7%;而在相同铁浓度下,芬顿反应对Rh B的去除率仅有43.7%。当催化剂浓度为50μM时,两个体系对Rh B的去除率相当,60 min内去除率均能达到95%以上。同时,Fe-cyclam/H2O2体系还能降解酸性红88、酸性橙Ⅱ以及活性红24等多种有机染料,并且在较宽的p H范围(2-7)内都具有降解染料的能力。此外,相比芬顿体系,Fe-cyclam/H2O2体系具备良好的抗干扰能力,糖类有机物的投加几乎不影响Rh B的降解,去除率均保持在93%以上。(2)Fe-cyclam/H2O2体系能降解多种EDCs,且对17β-雌二醇、雌三醇和17α-雌二醇具有良好的选择性,90 min内去除率分别为93%、94%和98%。经处理后,反应液的雌激素活性显著降低(>95%)。淬灭实验、电子顺磁共振(EPR)测定实验以及氮蓝四唑(NBT)还原实验排除了·OH和O2-·作为活性物质的可能。同时,在超低温条件下(77.15 K),EPR捕获到铁(V)-氧活性物质的存在,证实了Fe-cyclam/H2O2体系是基于铁(V)-氧为活性物质的非自由基降解过程。此外,Fe-cyclam具有良好的稳定性,3次循环降解实验后,对17β-雌二醇的去除率依然保持在90%以上,并且在连续运行三天后依然具有催化能力。(3)成功制备了壳聚糖配合的含Fe磁性复合材料。以PMS为氧化剂,构建了FC900/PMS催化体系。研究表明,40 min内,FC900/PMS对BPA的去除率能够达到97.8%,降解速率是商用纳米四氧化三铁的9.2倍。经过FC900/PMS体系的处理,BPA的矿化效率为70%左右,雌激素活性去除率达到97%。降低p H、提高FC900投加量及PMS浓度,都能加速BPA的降解。水体基质干扰实验表明,NO3-、SO42-、H2PO4-、腐殖酸对BPA的降解无显著性影响,而Cl-能够显著促进BPA的降解。淬灭实验、EPR测定实验、NBT还原实验及PMSO探针实验证实了基于FC900/PMS体系的BPA降解过程中是非自由基主导的反应,主要活性物质是单线态氧和高价铁-氧活性物质。
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