卤代烃类化合物是一类地下水中常见的有机污染物, 三氯乙烯(Trichloroethylene, TCE)作为一种典型的卤代烃, 被广泛用于工业溶剂和干洗清洁剂, 在长期生产和使用的过程中会进入地下水环境造成地下水污染(Kao, 2014;Ma et al., 2012), 因此, 在污染的地下水体中具有较高的检出率.TCE对人体和环境具有极大的危害性, 被美国环境保护局(USEPA)列为重点控制污染物, 也被我国列为优先控制污染物.因此, 水体中TCE的污染和治理一直是地下水污染治理的研究重点和热点(Aranzabal et al., 2014;冯炘等, 2015).
目前, 常用的去除含氯挥发性有机物的方法有生物降解法(刘仲阳, 2016)、活性炭吸附法(Miyake et al., 2003)、曝气吹脱法(胡顺之, 2011)、电化学法(Rajic et al., 2014)、光催化氧化法(Ndong et al., 2014)、Fenton、类Fenton(Weeks et al., 2000;Lewis et al., 2009)、纳米零价铁还原法(李云琴等, 2014).活性炭吸附法和曝气吹脱法成本昂贵, 生物法降解法、电化学法操作复杂、周期较长.
臭氧氧化作为一种实用、高效的高级氧化技术, 具有氧化能力强、反应时间短、无二次污染、设备简单等优点, 被广泛用于污水的深度处理和地下水污染控制等领域.Bai等(2016)利用臭氧技术对城市污水进行深度处理, 发现催化臭氧氧化磺胺二甲嘧啶的矿化度较高;Tkachenko等(2016)利用臭氧-活性炭吸附技术对地下水中有机污染物进行深度处理, 发现臭氧能有效去除三氯乙烯和四氯乙烯.
臭氧氧化机理分为直接氧化和间接氧化两种, 其中, 直接氧化反应可分为2种方式:①亲电取代反应(图 1a);②偶极加成反应(图 1b).臭氧间接氧化反应主要通过链反应生成强氧化剂羟基自由基, 一般分为2个阶段:第1阶段臭氧自分解生成羟基自由基(式(1)~(5))(Andrew et al., 2002);第2阶段羟基自由基氧化污染物, 其中, 有学者提出TCE与羟基自由基发生反应的对应方程式(式(6))(李红兰等, 2006).
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基于此, 本文以TCE为目标污染物, 采用臭氧氧化技术对水中TCE的降解效能进行研究, 重点考察臭氧氧化技术对TCE的降解效率, 以及TCE的脱氯效果、降解动力学、降解热力学, 并通过自由基抑制实验对降解机理进行分析, 以期为地下水中氯代烃的去除提供一种新的思路.
2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 试剂与仪器实验中所用的药品包含Na2SO3、NaOH、Na2CO3、HCl、TCE、乙醇, 均为分析纯级, 购自于国药集团(北京).
所用实验设备主要有:臭氧发生器(HMJ-CY-3, 北京海美钜电器有限公司)、气相色谱仪(GC-2014, 日本岛津)、恒温水浴振荡器(SHA-B, 江苏常州国华电器有限公司)、分析天平(FA1004)、pH仪(赛默飞世尔科技公司)、离子色谱仪(Thermo-2100)、紫外分光光度计(上海精科实业有限公司).
2.2 实验方法采用静态批式实验, 选择半连续反应器进行相关实验, 装置如图 2所示.基本步骤为:在反应器中加入1 L超纯水, 启动臭氧发生器曝气一段时间后加入一定量的TCE储备液, 启动实验并开始计时.按照一定的时间间隔取样, 每次抽取5 mL样品加入到二磺酸靛蓝溶液中以测定溶液中臭氧剩余量;1 mL样品加入到气相顶空瓶中(用NaSO3终止反应)测定TCE残留量.
臭氧浓度检测采用靛蓝二磺酸钠分光光度法(卢凤华等, 2014).TCE浓度检测采用气相色谱法, 测试的条件为:电子捕获检测器(ECD), Rtx-1毛细管色谱柱(美国Restek, 30 m×0.25 mm×0.25 μm), 以高纯度氮气为载气, 柱箱升温程序为:初始40 ℃保持5 min, 以8 ℃·min-1升温到100 ℃后, 再以6 ℃·min-1升温至200 ℃, 保持10 min, 进样口温度220 ℃, 检测器温度320 ℃.
3 结果分析(Results analysis) 3.1 水中溶解性臭氧浓度测试在pH=2.0的磷酸-磷酸氢二钠缓冲溶液中, 臭氧可使靛蓝二磺酸钠溶液褪色, 且在一定时间内褪色程度与臭氧含量呈线性关系(姜丽春等, 2011), 通过相关计算可转化为曝气时间与水中臭氧浓度的线性关系.本文研究了曝气时间与溶液中臭氧浓度的关系, 结果如图 3所示.由图可知, 臭氧在水中的浓度随着曝气时间的增加呈现出两个不同的趋势, 前8 min随着曝气时间的增加, 臭氧浓度呈现直线上升的趋势, 进行数据拟合发现呈线性关系, 其R2=0.9973;后续时间内臭氧的浓度基本保持不变, 维持在5 mg·L-1左右, 说明臭氧在水中达到饱和,这与卢凤华等(2014)的研究结果一致.因此, 为了更准确地控制水中臭氧浓度, 选择曝气10 min, 此时水中臭氧浓度为5 mg·L-1.
溶液pH在臭氧氧化和催化臭氧氧化过程中有显著的影响, 主要表现在两方面:一方面是pH影响臭氧在水中的分解速度, 碱性pH促进臭氧的分解(Tamura et al., 1999);另一方面是pH影响臭氧水溶液中羟基自由基的产生, 进而影响污染物的降解.pH为3、5、7、9和11条件下, 溶液中TCE的降解率如图 4所示.由图可知, 反应进行至120 min时, TCE的降解率分别为70.0%、85.5%、88.9%、95.5%和10.0%.pH在3~9之间时, 随着pH的升高, 臭氧氧化TCE的降解效率越快.当溶液中pH过高时(pH=11), 羟基自由基之间会发生速度极快的猝灭反应, 此反应的速率常数为109 L·mol-1·s-1, 从而使溶液中的羟基自由基浓度下降(Andreozzi et al., 2005), 导致TCE的降解速率变慢.因此, 为更好地控制臭氧氧化效果, pH应控制在3~9之间.
臭氧降解TCE的反应动力学拟合如图 4中插图所示.pH从3到11的动力学速率常数k分别为0.0091、0.0158、0.0176、0.0246和0.0009 min-1, R2分别为0.8676、0.9437、0.9212、0.9215和0.9546, 说明伪一级动力学对其降解规律的拟合效果较好.当pH=9时, 反应速率常数为pH=3时的2.7倍, 这表明溶液pH对臭氧氧化降解TCE具有很强的影响作用, 这与Fronk等(1987)和Masten等(1992)的研究结果一致.
3.2.2 溶液温度对降解TCE的影响在化学反应中, 反应温度对反应速率有较大的影响.温度分别为10、20、30、40和50 ℃条件下, TCE的降解规律如图 5所示.由图可知, 5种温度下TCE的降解率分别为76.0%、85.9%、92.5%、96.0%、98.0%.此外, 考虑到TCE是一种挥发性物质, 温度的升高会促进挥发的发生, 因此, 测定不同温度下TCE的挥发量分别为6.2%、8.8%、11.8%、16.0%和24.0%.扣除挥发量后, 30 ℃时臭氧氧化TCE的氧化效率最高, 达到了80.7%.
在不同温度下臭氧氧化降解TCE的动力学拟合如图 5中插图所示, 10~50 ℃时TCE降解的伪一级动力学速率常数k分别为0.0114、0.0150、0.0202、0.0245和0.0291 min-1, R2分别为0.9585、0.9479、0.9305、0.9104和0.8888.这表明温度升高, 臭氧氧化降解TCE的反应速率常数变大.温度过高或者过低都不利于反应的发生, 这主要是由两方面原因导致:一方面, 更高的反应温度将导致氧化剂与污染物之间的反应速率加快(Lan et al., 2013;Yan et al., 2013);另一方面, 温度升高臭氧的溶解度会降低(Huang et al., 2011), 从而导致氧化剂与污染物的反应速率变慢.由于这两方面原因的存在, 本实验得出30 ℃为最佳温度, 这与文献中的表述基本相似(Zhao et al., 2013;Chen et al., 2014;Huang et al., 2012).
为了分析臭氧氧化TCE的热力学规律, 结合阿伦尼乌斯公式及艾琳公式, 对ln(k/T)、lnk与1/T作图, 结果如图 6所示.通过拟合曲线的斜率和截距可以得出活化能Ea、焓变ΔH和熵变ΔS的值, 最终得出每一个温度下反应的吉布斯自由能ΔG, 结果如表 1所示.其中, 焓变ΔH为15.53 kJ·mol-1, 熵变ΔS为-226.5 J·mol-1·K-1, 活化能Ea仅为18.05 kJ·mol-1, 活化能较低, 表明发生反应需要的能量低, 反应易于进行.
本文考察了不同臭氧投加量对溶液中TCE降解的影响, 结果如图 7所示.由图可知, 随着臭氧投加量的增大, TCE的降解率增大, 5种不同臭氧投加量对应的TCE降解率分别为53.8%、96.8%、98.0%、99.5%和99.6%, 且随着臭氧投加量的升高, TCE的降解效率逐渐升高.这是由于臭氧初始投加量越高, 臭氧自分解产生羟基自由基量越大, 从而使得TCE的降解效率加快.
不同臭氧初始投加量的伪一级动力学拟合曲线如图 7中插图所示, TCE降解动力学的速率常数分别为0.0052、0.0285、0.0325、0.0393和0.0411 min-1, R2分别为0.9390、0.9532、0.9359、0.8820和0.8818.臭氧初始投加量为5 mg·L-1时的反应速率是1 mg·L-1时的7.5倍, 这表明臭氧初始投加量对臭氧氧化TCE具有很大的影响, 这与Tkachenko等(2016)和Fronk等(1987)的研究结果一致.
3.2.4 TCE初始浓度对TCE降解的影响污染物的初始浓度也会影响臭氧氧化过程.本文考察了TCE初始浓度分别为1、2、3、4和5 mg·L-1条件下TCE的降解趋势, 结果如图 8所示.由图 8可以看出, TCE初始浓度为1~5 mg·L-1对应的TCE降解率分别为98.0%、97.3%、96.7%、93.3%和88.1%, 随着TCE初始浓度的升高, TCE的降解率逐渐降低, 反应前20 min降解速率比较快, 随着反应的进行TCE的降解速率逐渐变慢.这可能是由于刚开始反应时溶液中臭氧浓度较高, 随着反应的进行, 溶液中的臭氧一部分参与反应, 另一部分衰减, 致使水溶液中臭氧浓度逐渐降低, 产生的羟基自由基也减少, 从而导致TCE的降解速率变慢.
不同TCE初始浓度的伪一级动力学拟合曲线如图 8中插图所示, TCE降解动力学速率常数分别为0.0296、0.0277、0.0268、0.0216和0.0169 min-1, R2分别为0.9173、0.9299、0.9680、0.9703和0.9712.可以明显看出, 反应速率常数随TCE初始浓度的增加而减小, 即反应速率常数与初始浓度呈负向关系, 这与黄曦等(2011)的研究一致.可能的原因是随着污染物初始浓度的升高, 污染物之间也存在竞争关系, 从而导致高浓度的污染物降解速率变慢, 这与Alcantara-Garduño等(2008)的研究结论类似.
3.2.5 臭氧氧化TCE机理的探究有关文献报道, 臭氧与叔丁醇的反应速率仅为0.03 L·mol-1·s-1, 但与羟基自由基的反应速率为4×109 L·mol-1·s-1 (Andreozzi et al., 1999), 两者的反应速率存在较大数量级差异, 同时存在时基本排除臭氧与叔丁醇反应的影响.而碳酸根离子会猝灭羟基自由基, 猝灭机理如方程式(7)所示(Acero et al., 2000), 因此, 叔丁醇和碳酸根离子可作为羟基自由基猝灭剂(Hoigne et al., 1985;Song et al., 2017).本文考察了分别加入叔丁醇和碳酸根离子两种情况下, 臭氧对TCE的氧化效果, 结果如图 9所示.加入叔丁醇和碳酸根离子都明显抑制了臭氧氧化TCE的速率, 而且加入碳酸根离子的抑制效果强于叔丁醇的抑制效果.这说明臭氧氧化TCE是以臭氧的间接反应为主, 羟基自由基对臭氧氧化TCE起了主要作用.反应结束后对3个反应体系pH进行测定, 单独臭氧体系pH由7.0下降至4.7, 这可能由于氧化TCE过程中产生小分子酸引起的, Pham等(2009)在研究中也发现TCE被氧化成草酸、甲酸、二氯乙酸等酸性中间产物;臭氧叔丁醇体系pH维持在7.0左右, 臭氧碳酸钠体系pH由7.0升高至9.7, 这可能由于碳酸根离子的水解引起的, 虽然碱性条件下易产生羟基自由基, 但相对于羟基自由基的猝灭反应微不足道.
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为了探讨最优条件下TCE的脱氯效果, 本文对反应液中氯离子浓度进行了测定, 结果如图 10所示.由图可知, 随着反应的进行, TCE的浓度逐渐降低, 氯离子浓度逐渐升高, TCE浓度由初始的10 mg·L-1降解到0.99 mg·L-1, 氯离子浓度由0 mg·L-1升高到5.76 mg·L-1.根据理论值计算, 反应120 min后, TCE脱氯率为71.1%, 表明其脱氯率较高.气相色谱检测出TCE的降解中间产物有二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳等物质, 但这3种物质并不积累.臭氧的脱氯效果在Fujita等(2004)和Dowideit等(1998)的研究中也有报道.
1) 臭氧投量、反应温度、初始pH、初始TCE浓度对臭氧氧化TCE有很大影响.臭氧投加量越大, 初始TCE浓度越低, 臭氧氧化TCE的反应速率越快;不同pH条件下, 弱碱性体系中TCE的去除速率最快, 中性次之, 酸性体系中去除速率最慢.
2) 叔丁醇和碳酸根离子均可以明显地抑制臭氧对TCE的降解, 这说明臭氧氧化TCE的过程遵循羟基自由基的反应原理.
3) 臭氧氧化降解TCE脱氯效果较好, 当反应进行到120 min时, TCE脱氯率为71.1%, 表明其脱氯率较高.
4) 气相色谱检测出TCE的降解中间产物有二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳等物质, 但这3种物质并不积累, 由分析可知, TCE降解的最终产物可能为CO2、H2O和Cl-等物质.
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