供水管网中自由氯作用下氧氟沙星的迁移转化规律研究

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近年来,随着生活水平的提高和医疗技术的进步,抗生素在医疗领域被大量使用。氧氟沙星(OFL),作为其中喹诺酮类抗生素的典型代表,在临床医学中被广泛应用。尽管其具有良好的治愈效果,但同时也不断在水体、沉积物、土壤等多种环境介质中被检出。这些环境残留会影响植物的生长发育、抑制甚至杀死环境中的某些微生物并对人类健康产生影响。此外,近年来,具有致癌、致畸、致突的三卤甲烷(THMs)和卤乙酸(HAAs)等消毒副产物也不断在饮用水中被检出且含量有逐年增多的趋势,威胁人类健康。氧氟沙星的环境残留问题和消毒副产物所带来的水污染问题受到了人们的广泛关注。同时,关于氧氟沙星等抗生素在环境中迁移转化规律的研究也成为了饮用水安全领域的研究热点。目前,对氧氟沙星的去除和饮用水消毒的研究已有很多,并且取得了很大的进展,但仍存在一些不足。其中,对氧氟沙星的研究主要集中在烧杯去离子水等简单的反应环境下,对于供水管网复杂环境中氧氟沙星的降解以及迁移转化过程的研究尚未见诸报道。因此,本课题以城市水系统中长期存在的氧氟沙星为研究对象,以浙江某高校大型给水管网水质综合模拟实验平台为研究手段,系统研究了供水管网和烧杯去离子水中在自由氯作用下氧氟沙星的迁移转化规律,对有效控制氧氟沙星进入到城市水系统及保护人体健康和环境提供了一定的参考意义。本课题研究了在不同管材、流速、pH、自由氯浓度、温度作用下氧氟沙星在管网中的降解动力学、产物生成,并将氧氟沙星在烧杯和管网中的降解实验进行对比。其结果表明:在管网和去离子水中自由氯氧化氧氟沙星的反应速率随自由氯浓度的增加而增加,且氧氟沙星在去离子水中降解效率高于在管网中的降解效率,自由氯氧化氧氟沙星的反应符合二级动力学模型。不同pH条件下自由氯氧化氧氟沙星的降解速率为中性﹥酸性﹥碱性。管材和温度对降解影响都比较明显。氧氟沙星在PE管和不锈钢管中的降解速度接近,且均高于在球墨铸铁管中的降解速度。随着温度的升高,降解速率不断升高,说明氧氟沙星降解是个吸热过程。流速对氧氟沙星在管网中和去离子水中的降解速率的影响不大。通过液相色谱-质谱法(LC-MS)对自由氯氧化氧氟沙星的中间产物进行了检测,结果表明:哌嗪环是参与氧化反应的主要基团,哌嗪环上的N4原子是参与氧化反应的主要点位。自由氯使氧氟沙星失去一个-CH3形成氧化产物M-61,继续对哌嗪环上的N4原子作用,脱去C3H7N形成氧化产物M-101。噁嗪环开环形成氧化产物M-139。喹诺酮环上的N2原子被Cl取代形成氧化产物M-108。另外,自由氯一方面进攻哌嗪环上的羟基,夺取氢失去一个H2O分子形成氧化产物M-18,另一方面失去一个CO2分子形成氧化产物M-44。随着反应的进行,发生取代反应,H原子被Cl原子取代,形成氧化产物M+44。此外,本课题分析了自由氯氧化氧氟沙星过程中THMs和HAAs的生成规律。其中,THMs主要以三氯甲烷(TCM)的形式存在;HAAs主要以—氯乙酸(MCAA)的形式存在。随着反应时间的增加,THMs、HAAs的浓度均逐渐增大。
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