纳米铁酸钴活化过氧乙酸降解磺胺甲恶唑效能及机理研究

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磺胺类药物(Sulfonamides,SAs)是一类典型的抗生素,在人类生产生活中得到广泛应用,但是其在水环境中的持续暴露会给人类健康和生态系统带来潜在危害。基于过氧乙酸(Peracetic acid,PAA)的高级氧化技术可以产生具有强氧化性的有机自由基(R-O·)和羟基自由基(HO·)高效降解水中有机污染物,并且有毒副产物产生水平较低,是一种十分理想的水处理技术。目前关于过氧乙酸高级氧化技术的研究较少,开发过氧乙酸非均相催化体系对该技术的理论发展和实际应用均有着重要意义。本研究首次利用磁性纳米铁酸钴(Co Fe2O4)活化PAA,并选择磺胺甲恶唑作为典型磺胺类药物,研究Co Fe2O4/PAA非均相体系降解磺胺类药物的效能及影响因素,并进一步探究体系中存在的反应机理以及该体系实际应用潜能。本研究首先探究了Co Fe2O4/PAA体系降解磺胺甲恶唑的效能,并考察了PAA投加量、Co Fe2O4投加量、溶液初始p H以及水中Cl-、HCO3-、腐殖酸等因素的影响。结果表明:Co Fe2O4能有效活化PAA并降解磺胺甲恶唑,在p H=7.0,PAA投加量为200μM,Co Fe2O4投加量为0.1 g/L的初始条件下,磺胺甲恶唑去除率最高可达87.3%;在PAA和Co Fe2O4初始投加量分别为0~100μM和0~0.2 g/L范围内,增加体系内PAA和Co Fe2O4含量可有效提升磺胺甲恶唑的降解效率;溶液初始p H在5.0~8.0的范围内,体系降解有机物能力较强,而且越接近中性条件,降解效果越好;水中的HCO3-和腐殖酸会竞争体系产生的自由基或抑制自由基的生成,从而抑制体系对磺胺甲恶唑的降解,而Cl-对体系降解磺胺甲恶唑没有显著影响。研究反应过程存在的机理发现:有机自由基R-O·(包括乙酰过氧基(CH3C(O)OO·)和乙酰氧基(CH3C(O)O·))在体系降解磺胺甲恶唑的过程中起到了重要作用;Co Fe2O4表面的Co元素及溶出的Co2+均参与了PAA的活化过程,其中PAA与Co Fe2O4表面≡Co3+、≡Co2+之间的电子转移是PAA分解并产生自由基的关键;电子转移反应是R-O·降解磺胺甲恶唑的主要方式,磺胺甲恶唑的富电子基团如苯环、氨基基团以及S-N键易受到R-O·攻击而发生氧化和裂解,其中间产物在R-O·作用下也会发生偶联反应,生成部分大分子化合物。此外,本研究还从体系对不同污染物降解能力、催化剂稳定性、生物毒性和应用成本四个方面对Co Fe2O4/PAA体系应用潜能进行综合评价。结果表明:Co Fe2O4/PAA对对乙酰氨基酚(ACT)、普萘洛尔(Pr P)、三溴苯酚(TBP)和四溴双酚A(TBBPA)等有机污染物有着很强的降解能力;Co Fe2O4在体系反应过程中能保持良好催化性能和结构稳定性;ECOSAR模型对磺胺甲恶唑及其中间产物毒性预测结果表明体系降解磺胺甲恶唑的过程中会生成部分毒性较强的物质,但发光细菌毒性测试表明该体系反应过程中生物急性毒性变化不明显,说明该体系有毒物质的产生水平较低或可被体系内的活性氧化剂进一步降解;并且,Co Fe2O4/PAA体系具有较好的经济性。因此,Co Fe2O4/PAA非均相体系具有稳定、高效、安全、经济等特点,在净水和废水处理中有着良好的应用潜力。
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