环境科学学报  2017, Vol. 37 Issue (12): 4586-4592
臭氧氧化降解水中三氯乙烯的效能研究    [PDF全文]
陈行行 , 白智勇 , 李群 , 杨琦     
中国地质大学(北京)水资源与环境学院, 水资源与环境工程北京市重点实验室, 北京 100083
摘要: 卤代烃是地下水污染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,具有高检出率、易挥发、致癌性等特征,而对地下水中TCE的治理一直是研究的热点.因此,本文以TCE为目标污染物,采用臭氧氧化技术对其进行降解效能分析,重点考察了不同臭氧投加量、初始pH、温度、初始TCE浓度对臭氧氧化降解水中TCE的影响,并对反应产物及可能的臭氧氧化机理进行了推测.结果表明,溶液的初始pH、臭氧投加量、初始TCE浓度均会对TCE的降解效率和降解速率产生一定的影响.在优化的实验条件下(pH=9、臭氧投加量5 mg·L-1、TCE初始浓度1 mg·L-1、温度30℃),TCE在2 h的降解率可以达到100%,反应结束后TCE脱氯率为71.1%.动力学实验表明,臭氧氧化TCE的反应符合伪一级动力学.热力学研究表明,臭氧氧化TCE的焓变(ΔH)为15.53 kJ·mol-1,熵变(ΔS)为-226.5 J·mol-1·K-1,活化能Ea为18.05 kJ·mol-1,表明臭氧氧化TCE的反应易于进行.机理研究表明,臭氧氧化降解TCE主要是由臭氧分解所形成的羟基自由基进行的.
关键词: 臭氧氧化     三氯乙烯     羟基自由基     伪一级动力学    
Efficient degradation of trichloroethylene(TCE) in water by ozone oxidation
CHEN Hanghang, BAI Zhiyong, LI Qun, YANG Qi    
Beijing Key Laboratory of Water Resources & Environmental Engineering, School of Water Resources and Environment, China University of Geosciences(Beijing), Beijing 100083
Received 30 April 2017; received in revised from 22 May 2017; accepted 22 May 2017
Supported by the Beijing Municipal Education Commission School-Enterprise Cooperation Projects(No.51900265005), the National Major Science and Technology Project of Water Pollution Control and Treatment(No.2009ZX07207-008, 2009ZX07419-002, 2009ZX07207-001, 2015ZX07406005-001), the Fundamental Research Funds for the Central Universities(No.2652013101, 2652013086, 2652013087) and the National Major Scientific Instruments and Equipment Development Projects(No.2012YQ060115)
Biography: CHEN Hanghang(1991—), male, E-mail:18610599238@163.com
*Corresponding author: Yang Qi, E-mail:yq@cugb.edu.cn
Abstract: As a typical representative halogenated hydrocarbon in groundwater, trichloroethylene (TCE) has shown high detection rate, volatility and carcinogenicity. Therefore, the treatments of TCE in groundwater have gained more attention recently. In this work, the degradation efficiency of TCE by ozone oxidation was studied. The effects of ozone dosage, initial pH, temperature and initial TCE concentration on the degradation of TCE were investigated. Moreover, the reaction products and the possible ozone oxidation mechanism were proposed. The experimental results showTCE could be completely degraded after 2 h under the optimized experimental conditions (pH=9, ozone dosage 5 mg·L-1, TCE initial concentration 1 mg·L-1, temperature 30℃), and the dechlorination rate of TCE could reach 71.1% at the end of the reaction. The kinetics study results show that the reaction of ozone oxidation was consistent with pseudo-first-order kinetics, while the thermodynamic studies showed that the change of reaction enthalpy (ΔH), the entropy (ΔS) and the activation energy (Ea) were 15.53 kJ·mol-1, -226.5 J·mol-1·K-1, and 18.05 kJ·mol-1, respectively, indicating that the reaction between ozone and TCE is easy to occur. In addition, TCE degradation by ozone is mainly attributed to the hydroxyl radicals formed in ozone decomposition.
Key words: ozone oxidation     trichloroethylene(TCE)     hydroxyl radical     pseudo-first-order kinetics    
1 引言(Introduction)

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, 2014Ma 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., 2000Lewis 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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图 1 臭氧直接氧化机理(a.亲电取代反应, b.偶极加成反应) Fig. 1 Direct oxidation mechanism of ozonation(a.electrophilic substitution reaction, b. dipolar additionreaction)

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.

图 2 试验装置示意图 Fig. 2 Schematic diagram of experimental set-up
2.3 检测方法

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.

图 3 曝气不同时间水中臭氧浓度的变化 Fig. 3 Ozone concentration variation with time in the aqueous solution
3.2 影响臭氧氧化降解TCE的因素 3.2.1 溶液初始pH对TCE降解的影响

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.

图 4 不同pH值对臭氧降解TCE的影响(TCE 5 mg·L-1, O3 5 mg·L-1, 温度30 ℃) Fig. 4 pH effect on TCE degradation by ozone

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)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%.

图 5 不同温度对臭氧降解TCE的影响(TCE 5 mg·L-1, O3 5 mg·L-1, pH=7) Fig. 5 Different temperature effect on the degradation of TCE by ozone

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., 2013Yan 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., 2013Chen et al., 2014Huang 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.

图 6 TCE热力学分析的ln(k/T)-T和lnk-T拟合曲线 Fig. 6 Thermodynamic analysis of the degradation of TCE

表 1 降解TCE的热力学计算参数 Table 1 Results of activation thermodynamics for degradation of TCE
3.2.3 臭氧投加量对降解TCE的影响

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.

图 7 臭氧投加量对降解TCE的影响(TCE 5 mg·L-1, pH=7, 温度30 ℃) Fig. 7 Different initial content of ozone effect on the degradation of TCE

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)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.

图 8 TCE初始浓度对降解TCE的影响(O3 5 mg·L-1, pH=7, 温度30 ℃) Fig. 8 Effect of initial concentration on the degradation of TCE by ozone

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., 1985Song 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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图 9 掩蔽剂对臭氧氧化TCE的影响(TCE 5 mg·L-1, O3 5 mg·L-1, pH=7, 温度30 ℃) Fig. 9 Effect of masking agent on the degradation of TCE
3.2.6 臭氧氧化TCE脱氯的探究

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)Dowideit等(1998)的研究中也有报道.

图 10 溶液中Cl-的浓度变化(TCE 10 mg·L-1, O3 5 mg·L-1, pH=7, 温度30 ℃) Fig. 10 The chloride ion concentration change in the solution
4 结论(Conclusions)

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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