超声强化硫化亚铁/过硫酸盐体系降解卡马西平研究

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药品和个人护理用品(PPCPs,pharmaceuticals and personal care products)作为一类新兴污染物正对环境安全造成极大威胁。卡马西平作为典型PPCPs类污染物,在全球范围内消耗量预计高达1014吨/年,其在环境中的残留对人类以及各种生物都造成极大的风险。本文以卡马西平(CBZ)为研究对象,以硫化亚铁(FeS)活化过硫酸盐(PDS)降解目标污染物。在此基础上,引入超声强化其处理效果并对体系机理进行分析。本文首先对基础体系FeS/PDS体系进行研究,考察四个实验参数对FeS/PDS体系降解CBZ效果影响,主要关注过程中CBZ、溶铁以及PDS变化规律。结果表明:FeS能够有效活化PDS降解CBZ且反应过程均符合假一级反应动力学;增加FeS和PDS投加量有利于反应的进行,但是过高的投量不能大幅提升反应速率,成本上不够经济;CBZ在初始pH为3.0-7.0时被降解完全,且反应后pH基本降至同一水平(2.9-3.1),初始pH大于9.0时降解效果不明显;随着CBZ初始浓度增加,其降解率和反应速率均下降,需要有更多氧化剂以维持反应进行。将超声引入基础FeS/PDS体系中,建立一种新的US/FeS/PDS体系以提升整体去除效能。通过对比US、US/PDS、US/FeS、FeS/PDS和US/FeS/PDS体系对CBZ的降解效果,证实了超声的强化效果。考察了FeS、PDS投加量、初始pH、温度和三种无机阴离子对US/FeS/PDS体系的影响,结果表明:在一定范围内增大FeS、PDS投加量有利于底物的降解,过大投量促进作用十分有限;初始pH对体系影响非常明显,酸性条件下降解效果更好,碱性条件会抑制反应进行;温度升高有利于反应的进行,且该体系所需活化能为35.58 kJ/mol;Cl-、HCO3-和NO3-对体系有不同程度的抑制效果,浓度越高抑制越明显,HCO3-抑制作用最强。为探究US/FeS/PDS体系反应机理,将反应前后FeS固体进行X射线衍射和X射线光电子能谱表征分析。结果表明:本实验中使用的FeS材料为硫铁矿-2H,且FeS表面存在部分FeS2杂质;FeS内部结构相对稳定,反应前后内部晶体结构没有发生明显变化;反应后FeS表面元素价态发生改变,约5%Fe2+被氧化成为Fe3+,7%S2-转化成其他形态,S2-很可能参与了铁离子循环。通过自由基捕获实验以及EPR鉴定实验证实了SO4·-和HO·为主要自由基形态,其中HO·贡献比例基本保持不变,SO4·-贡献比例不断增大,60 min时体系中SO4·-占比达50.5%。利用LC-APCI-MS对反应过程中的样品进行检测,分析推导出12种中间产物以及三种CBZ可能的降解路径。
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