Fe(Ⅲ)/S(Ⅳ)体系降解四溴双酚A效能及机理研究

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溴代阻燃剂(BFRs)是目前常见的阻燃材料之一,广泛存在于家庭及办公场所,其大量生产及排放不仅造成环境污染,且存在生物累积性,威胁人类健康。四溴双酚A(TBBPA)是如今生产使用最为广泛的BFRs之一,其常见的去除手段为光催化降解,可以获得良好的去除效果,但由于受到成本限制,难以实现扩大化应用。S(IV)自氧化体系作为一种新型水处理高级氧化技术,具有处理效果好、成本低廉、二次污染少的优势,然而目前国内外对这一体系研究较少,且在BFRs方面的研究应用尚未见报道。本文以TBBPA为污染物代表,并选用Fe(Ⅲ)/HSO3-作为典型S(IV)自氧化体系,研究其降解TBBPA的效能,考察操作条件和水体条件对降解效果的影响,揭示反应机理、环境危害及实际应用前景,为BFRs的去除提供新思路。研究结果表明Fe(Ⅲ)可有效活化HSO3-,当反应初始pH为6.0,Fe(Ⅲ)和HSO3-的投加量分别为40μM和0.4 mM时,反应30分钟后TBBPA降解率约为66.4%;Fe(Ⅲ)投量升高会降低反应速率、抑制降解效果;增加HSO3-可提高TBBPA降解速率,但反应20分钟后的降解率无显著变化;而底物浓度与TBBPA降解的表观速率常数负相关;该体系适用pH范围广,在pH值为37时对TBBPA均有较好的去除效果,且在pH为36的弱酸性条件下均可确保TBBPA反应30分钟后去除率保持在60%以上,而在碱性条件下由于Fe(Ⅲ)水解而无去除效果。该研究深入探究了Fe(Ⅲ)/HSO3-体系降解TBBPA的作用机理。通过醇类竞争自由基方法分析了体系内的活性自由基种类,发现Fe(Ⅲ)/HSO3-体系降解TBBPA主要依赖体系内生成的HO·;由于S(IV)自氧化体系产生活性自由基是通过链式反应实现的,且通过O2快速将SO3·-氧化为SO5·-是该反应至关重要的一环,因此该体系需确保水体中具有足够的溶解氧。通过密度泛函理论计算TBBPA分子中各原子发生自由基反应的活性,发现TBBPA分子中易被自由基攻击的点位有Br26、Br27、Br28、Br29、O30、O32,其初始反应为TBBPA脱溴或溴原子被羟基取代,再结合LC/MS产物分析,推测Fe(Ⅲ)/HSO3-体系降解TBBPA的反应路径。为进一步明确该体系的工程应用前景,考察了该体系处理加标滤后水的效果,结果表明Fe(Ⅲ)/HSO3-体系降解实际水体中TBBPA的效果虽然明显低于纯水体系,但反应30分钟后TBBPA的去除率仍可达到41.6%,这是由于天然水体常见的HCO3-和HA可竞争体系内的活性自由基。不同于过硫酸盐活化体系,Fe(Ⅲ)/HSO3-体系降解TBBPA的过程中无BrO3-和含溴副产物(Br-DBPs)生成,且急性毒性分析结果表明该体系降解TBBPA有良好的脱毒效果,具有较高的安全性。此外,该研究还对比了Fe(Ⅲ)/HSO3-体系与传统Fenton体系和铁活化过硫酸盐体系的运行成本,得出该体系的工艺运行成本较为低廉,具有广阔的应用前景。
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