電化學高級氧化技術(shù)深度處理抗生素左氧氟沙星的效能與機理研究.pdf

1、抗生素濫用引起的環(huán)境污染已成為我國乃至全球面臨的重大環(huán)境問題之一。其中抗生素左氧氟沙星(Levofloxacin,LVX)在氟喹諾酮類藥品中使用率最高,藥物殘留嚴重超標,因此高效降解LVX具有重要意義。本論文采用電化學高級氧化技術(shù)之一的電芬頓過程(electro-Fenton,EF)對目標物LVX進行降解,從實現(xiàn)LVX完全降解(部分礦化)及完全礦化兩個角度出發(fā),考察了LVX在EF體系中的降解過程及反應(yīng)機理,優(yōu)化了系統(tǒng)反應(yīng)條件,考察了體系

2、可生化性變化,檢測了降解中間產(chǎn)物,進而提出了LVX在EF過程中的降解歷程。同時研究了LVX與金屬離子Fe2+/Fe3+的螯合現(xiàn)象及其對EF和金剛石陽極(Boron-doped diamond electrode,BDD)強化EF過程降解LVX效能的影響,主要結(jié)果如下：
　　(1)以降低處理成本為目的,利用EF提高可生化性研究：確定了EF處理LVX的最佳反應(yīng)條件,即I=0.36 A,pH=3.0,Fe2+濃度1.00 mM及通入背景

3、氣體100mL min-1O2。在最佳條件下處理500 mL初始濃度為200 mg-L-1的LVX溶液,電解360min后溶液TOC去除率為61.0％。EF處理LVX 360 min后,體系的BOD5/COD值從初始LVX的0增加至0.24,溶液可生化性明顯改善。繼續(xù)處理到480,600和720 min后,溶液BOD5/COD值增加至0.32,0.41和0.55,表明溶液已易生化降解,可以利用低成本生化處理方法進行深度處理。EF對LVX

4、的降解行為符合準一級反應(yīng)動力學,表觀速率常數(shù)為2.37×10-2min-1。通過UPLC-QTOF-MS/MS系統(tǒng)檢測到LVX的8種降解中間產(chǎn)物,利用HPLC檢測到3種有機酸,并使用IC檢測到F、NO3-、NH4+等無機產(chǎn)物,在此基礎(chǔ)上提出了LVX在EF體系中可能的降解歷程。
　　(2)以確定有機物螯合行為對降解效能影響為目標,考察LVX與Fe2+/Fe3+螯合機理及其對EF降解機制影響：研究表明LVX會與Fe3+發(fā)生螯合反應(yīng),最

5、佳螯合比為[LVX]:[Fe3+]=2:1。在相同F(xiàn)e2+或Fe3+濃度條件下,以Fe3+為催化劑的EF體系對LVX溶液的TOC去除率更高,說明Fe3+與LVX的螯合有利于EF對LVX廢水的處理效果。EF降解過程中鐵的轉(zhuǎn)化規(guī)律研究表明,ACF陰極能有效還原Fe3+,維持溶液中Fe2+濃度,保持EF反應(yīng)的持續(xù)高效進行。
　　(3)以實現(xiàn)完全礦化為目的,利用BDD強化EF過程高效礦化LVX研究：在I=0.36A, pH=3.0, Fe

6、2+ 1.00 mM及通入100mL min-1O2的最佳條件下,利用BDD-EF處理60 min就可實現(xiàn)200 mg-L-1 LVX完全降解,處理360 min后TOC去除率達到92%,說明BDD-EF既可快速去除目標污染物,又可快速實現(xiàn)目標物及其中間產(chǎn)物的礦化。檢測到LVX在BDD-EF降解過程中生成了5種中間產(chǎn)物,3種有機酸及3種無機離子,并以此提出了LVX在BDD-EF體系中完全礦化路徑。
　　(4)以篩選最優(yōu)處理工藝為目

7、的，對比分析了LVX在RuO2/Ti-AO(Anodicoxidation)、EF、BDD-AO及BDD-EF四個過程中的降解效果及作用機理:結(jié)果表明各體系對LVX的降解速率:BDD-AO＜ RuO2/Ti-AO＜ EF＜ BDD-EF;而礦化效果:RuO2/Ti-AO＜EF＜BDD-AO＜BDD-EF，經(jīng)360 min處理后，各體系TOC去除率分別為14.6％，79.4％，90.9％和92.0％。RuO2/Ti-AO體系中不產(chǎn)生H2O

8、2和·OH，其他體系均有H2O2和·OH生成，電解120 min時生成H2O2濃度分別為215.3μM(AO-H2O2)、237.3μM(BDD-AO)和515.3μM(BDD-AO-H2O2),·OH濃度分別為78.0μM(EF)、85.8μM(BDD-AO)和147.9μM(BDD-EF)，說明BDD的引入可以顯著提高H2O2和·OH的產(chǎn)率，在BDD-EF體系中，BDD與ACF電極存在協(xié)同作用，體系氧化能力大于單獨BDD與單獨ACF