两种氧化技术降解水中麻黄碱机理的研究

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麻黄碱(EPH)不仅是感冒药的主要成分,而且是甲基苯丙胺(又称冰毒)的主要前驱体。由于长期的药物滥用和毒品泛滥,麻黄碱作为一种重要的精神活性物质在世界各地的水环境中被频繁检出,其可能存在潜在的环境风险,因此应对水环境中的麻黄碱给与更多关注。麻黄碱在传统污水处理过程中的降解效果不佳,因此本文采用紫外/过硫酸盐(UV/PS)和次氯酸钠两种不同的氧化技术处理水体中的麻黄碱。探究了氧化降解麻黄碱的过程,主要分为降解效能、反应动力学、影响因素及降解机理四个方面。首先利用UV-254 nm(紫外光)活化过硫酸盐(PS)高级化氧化技术去除水中麻黄碱。结果发现,单独UV照射或单独添加过硫酸盐对麻黄碱基本没有去除效果(10 min降解率均小于3%),紫外/过硫酸盐联合具有较强的协同效应,10 min内的降解率超过97%。当PS初始浓度为500μmol·L-1时,麻黄碱的初始浓度越高,降解反应速率越慢,氧化降解反应符合二级动力学方程。接着探究了包括pH、水体基质(HCO3-,NO3-,Cl-,腐殖酸)等不同因素对降解效果的影响。结果发现,酸性和碱性条件明显抑制降解反应,在pH为7的条件下,降解反应速率最快。HCO3-、NO3-、Cl-和HA都对麻黄碱的降解都存在不同程度的抑制作用,在相同浓度下,其抑制程度依次为HA>Cl->NO3->HCO3-。最后通过超高效液相色谱-电喷雾质谱联用仪(UPLC-MS/MS)鉴定了5种麻黄碱的降解中间产物,并提出了降解机理和转化途径。降解机理可能包括亲电取代和消除反应。UV/Cl(紫外/次氯酸钠)使用成本低,操作简单,因此本文还进一步研究了UV/Cl对麻黄碱的降解效果,结果发现UV/Cl、日光/Cl和黑暗/Cl三种不同条件下麻黄碱在40min内的降解率分别为96.0%、94.7%和94.3%,说明不同光源对次氯酸钠氧化降解麻黄碱的反应速率影响较小,因此后续实验以单独次氯酸钠为氧化剂去除水中麻黄碱。当次氯酸钠初始浓度为1000μmol·L-1时,麻黄碱的初始浓度越高,降解反应速率越慢,氧化降解反应符合二级动力学方程,k=7.42×102(mol·L-1)-1·min-1。接着探究了pH、水体基质(Fe3+,HCO3-,NO3-,HA等)等不同因素对降解效果的影响。结果发现,酸性条件对降解反应有抑制作用,碱性条件对降解反应有促进作用,当pH为11时,降解反应速率达到最快。Cu2+,Fe3+,HCO3-离子对降解反应有显著的抑制作用;Ca2+,Mg2+,NO3-,SO42-,HA等离子有不同程度的抑制作用;Br-和I-(初始浓度大于0.1 mmol·L-1)对降解反应有促进作用。最后通过UPLC-MS/MS分别鉴定出10种麻黄碱的降解中间产物,降解机理可能包括亲电取代,脱水和消除反应。对比发现紫外/过硫酸盐体系和次氯酸钠两种氧化方法均对麻黄碱有较好的降解效果。其中紫外/过硫酸盐体系对麻黄碱的去除效果更好,10 min内的降解率超过97%,但其使用成本较高,比较适合已安装UV消毒系统的水处理厂;次氯酸钠氧化麻黄碱在40 min内的降解率超过94%,其成本低廉,操作简单方便,更适合工业化生产。
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