強(qiáng)化電芬頓體系降解水中抗生素頭孢哌酮效能與機(jī)理研究.pdf

1、多年來，抗生素作為對抗感染性疾病的藥物而被廣泛使用，未被完全吸收、利用的藥物或其代謝物會通過尿液、糞便等途徑進(jìn)入城市污水系統(tǒng)，而當(dāng)前污水處理廠現(xiàn)有技術(shù)不能有效去除這類污染物，其最終進(jìn)入各類水體，引起耐藥性細(xì)菌滋生等一系列環(huán)境問題，對人類健康造成危害。因此，開發(fā)新型工藝高效去除水中抗生素類藥物已經(jīng)成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。抗生素頭孢哌酮(Cefoperazone，CFPZ)是頭孢類藥品中使用率最高的藥物之一，目前未見有關(guān)CFPZ降解去除的研究報

2、道。本文采用強(qiáng)化電芬頓(electro-Fenton，EF)技術(shù)對目標(biāo)物CFPZ進(jìn)行降解。首先研究了電極表面性質(zhì)及氣體氛圍對EF機(jī)理的影響;其次，從實(shí)現(xiàn)CFPZ完全降解（部分礦化）的角度，研究了CFPZ在EF體系中的降解效能及反應(yīng)機(jī)理，考察了可生化性變化，檢測了降解中間產(chǎn)物，進(jìn)而推測出CFPZ在EF中的可能降解歷程。再次，研究了光電芬頓(PEF)深度礦化CFPZ的礦化效能與降解機(jī)制。最后，為實(shí)現(xiàn)CFPZ的完全礦化，考察了利用摻硼金剛石陽

3、極(BDD)強(qiáng)化PEF過程降解CFPZ效能。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴電極表面性質(zhì)及氣體氛圍對EF反應(yīng)機(jī)理影響研究:電極比表面積影響EF過程中H2O2生成、Fe2+與Fe3+的轉(zhuǎn)換及羥基自由基(·OH)產(chǎn)生。通過對比ACF-1000、ACF-1300、ACF-1500、ACF-1600及ACF-1800五個比表面積ACF電極電化學(xué)產(chǎn)生H2O2產(chǎn)量，發(fā)現(xiàn)電極比表面積越大，H2O2生成濃度越高。不論加入Fe2+或Fe3+作為催化劑，

4、各個比表面積ACF的EF體系中均能有效還原Fe3+，保持Fenton反應(yīng)高效進(jìn)行，產(chǎn)生高濃度的·OH。氣體氛圍會影響體系的DO含量，進(jìn)而影響H2O2生成及·OH生成，其生成能力符合O2＞不通氣＞Air＞N2順序，且在四種氣體氛圍條件下Fe3+均能被有效還原為Fe2+。⑵EF氧化降解CFPZ機(jī)理及其提高可生化性研究:比較了ACF-1000和ACF-1600兩種ACF陰極條件下EF對CFPZ的降解及礦化行為，研究發(fā)現(xiàn)CFPZ降解行為符合準(zhǔn)一

5、級反應(yīng)動力學(xué)，ACF-1000和ACF-1600的表觀速率常數(shù)分別為6.37×10-2 min-1和5.49×10-2 min-1，TOC去除率分別為37.7％和38.4％，確定了以ACF-1600為陰極的EF工藝處理CFPZ的最佳反應(yīng)條件，即I=0.36 A，pH=3.00，F(xiàn)e2+濃度1.00 mM及通入O2100 mLmin-1。在最佳條件下處理500mL初始濃度為200 mg·L-1的CFPZ溶液，電解360 min后溶液TOC

6、去除率為38.4％。EF處理CFPZ360 min后，體系的BOD5/COD值從初始CFPZ的0增加至0.19，溶液可生化性明顯提高。繼續(xù)處理到480，600和720 min后，溶液BOD5/COD值增加至0.21，0.29和0.33，表明溶液可生化性大幅提高，可以利用低成本生化處理方法進(jìn)行深度處理。通過UPLC-QTOF-MS/MS系統(tǒng)檢測到CFPZ在EF過程生成6種芳環(huán)降解中間產(chǎn)物，利用排阻色譜檢測到5種有機(jī)酸產(chǎn)生，并使用IC檢測到

7、NO3-及NH4+無機(jī)產(chǎn)物產(chǎn)生，在此基礎(chǔ)上提出了CFPZ在EF體系中可能的降解歷程。⑶光電芬頓技術(shù)深度礦化抗生素CFPZ研究:在I=0.36 A，pH=3.00，1.00 mM Fe2+，溶液體積125 mL，初始濃度200 mg·L-1條件下，PEF可以深度礦化CFPZ，360 min后，TOC去除率達(dá)到64.8％，遠(yuǎn)高于AO-UVA，AO-H2O2-UVA及EF過程的13.9，28.8和40.9％。對比分析了AO-UVA、AO-H2

8、O2-UVA、EF及PEF四個過程對CFPZ的降解速率，各過程對CFPZ的降解符合準(zhǔn)一級反應(yīng)動力學(xué)，降解速率常數(shù)分別為2.62×10-2 min-1，6.14×10-2 min-1，6.14×10-2 min-1和9.51×10-2min-1。同時對比分析了UVA、UVB、UVC及MWUV四種光源對CFPZ降解速率及礦化效果，四種光源條件下，電解360 min后溶液TOC去除率分別為64.8，64.0，70.0和72.5％。⑷BDD強(qiáng)化

9、PEF過程完全礦化CFPZ研究:在I=0.36A，pH=3.00，F(xiàn)e2+1.00mM及通入60mLmin-1 O2的最佳條件下，利用BDD-PEF處理20 min就可實(shí)現(xiàn)200mg·L-1 CFPZ完全降解，處理360min后TOC去除率達(dá)到91.5％，說明BDD-PEF既可快速去除目標(biāo)污染物，又可快速實(shí)現(xiàn)目標(biāo)污染物完全礦化。BDD-AO，BDD-EF及BDD-PEF過程都檢測到五種高濃度有機(jī)酸，NH4+的產(chǎn)量分別達(dá)到9.50，11.