含醌物质活化过硫酸盐氧化降解多环芳烃的机制研究

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我国土壤有机污染问题十分突出,加之近年来城市化发展和产业结构升级调整政策的实施等原因,大量工矿企业搬迁后遗留下的污染场地亟待修复。化学氧化是一种能高效、快速去除土壤中有机污染物的场地修复方法,近年来越来越受到业界的重视。常用的化学氧化剂主要有过氧化氢、Fenton、类Fenon、高锰酸钾、臭氧和过硫酸盐等。其中,过硫酸盐是最新发展起来的一种氧化剂,其具有氧化还原电位高、存留时间长、选择性强等优势,已受到越来越广泛的关注。过硫酸盐氧化技术的关键在于活化其产生更多强氧化性的自由基。随着研究的不断深入,近年来涌现出了一些新的过硫酸盐活化技术。其中,环保廉价的天然有机化合物(如糖类、腐殖酸等)和高效的金属材料(零价金属材料、铁复合材料等)是重要的热点方向。因此,本研究以含醌物质腐殖酸和亚铁离子为主要研究对象,通过对有机污染土壤开展模拟修复实验,探究含醌物质腐殖酸和亚铁离子协同活化过硫酸盐对土壤有机污染物的降解效果;并检测苯醌、亚铁离子/铁离子、过硫酸盐混合的纯水相体系中自由基的变化,深入探明含醌物质活化过硫酸盐的机制及其与亚铁离子的协同作用机理;最后使用含醌物质腐殖酸和亚铁离子协同活化过硫酸盐体系氧化PAHs污染土壤,通过对处理前和反应不同时间后土壤中的oxy-PAHs进行识别及半定量,分析该氧化体系修复PAHs污染场地的环境风险,以期更好地为修复工程提供实际的指导意义和应用价值。  本文主要研究结果如下:  (1)采用模拟装置研究了不同大分子物质(多聚糖、腐殖酸、柠檬酸)联合亚铁离子和不同糖类(单聚糖、双聚糖、多聚糖)活化过硫酸盐对土壤中石油烃、多环芳烃的降解效果和氧化机制。结果表明:不同方法活化过硫酸盐体系氧化降解总石油烃和多环芳烃的效果排序依次为:腐殖酸联合亚铁离子>多糖>柠檬酸螯合铁>多糖加亚铁离子>双糖>单糖>CK对照组。其中,腐殖酸联合亚铁离子活化过硫酸盐对两种污染物的去除效率最高,分别达79.21%和79.89%,且修复后土壤中石油烃的反弹现象不明显,氧化效果稳定。此外,腐殖酸联合亚铁离子和多糖活化过硫酸盐对难降解的高环多环芳烃均能起到很好的去除效果,降解效率分别达77.96%和84.37%,相比其他处理提高了14.37%~59.10%和20.78%~65.51%。腐殖酸联合亚铁离子活化处理后土壤氧化还原电位(Eh)最高(618mV~676mV),多糖处理次之,表明大分子材料活化过硫酸盐后体系的氧化性能最好,对土壤中有机污染物的降解效果最佳。  (2)在含醌物质联合亚铁离子活化过硫酸盐体系中,醌类物质转化而成的醌基自由基是起主要作用的活化基团,其能有效活化过硫酸盐产生羟基自由基,从而实现对有机污染物的高效降解。其中,添加了苯醌的氧化体系中羟基自由基的响应强度达到无苯醌体系的6~8倍,而添加了腐殖酸的过硫酸盐氧化体系降解芴的效率也较未活化过硫酸盐处理提高了37%~43%。在醌类物质浓度一定的情况下,添加适量亚铁离子能促使体系产生更多的羟基自由基,从而提高污染物的降解效果。其中,添加了亚铁离子的苯醌-过硫酸盐体系中羟基自由基的响应响度是单独的苯醌-过硫酸盐体系的1.05~1.5倍,而亚铁离子联合腐殖酸活化过硫酸盐体系对芴的氧化效率也较单独的腐殖酸活化过硫酸盐处理提升了6%。另外,亚铁离子浓度越接近于醌类物质浓度,其促进效果越显著。亚铁离子对醌类物质/过硫酸盐体系氧化性能的促进机制主要是其催化醌类物质形成了大量醌基自由基,而醌基自由基又进一步活化过硫酸盐产生了更多的羟基自由基。相比于亚铁离子,铁离子对醌类物质活化过硫酸盐有一定的抑制作用。铁离子浓度上升时,体系中羟基自由基的响应强度下降了0.5%~18%。  (3)腐殖酸联合亚铁离子活化、未活化过硫酸盐和去离子水处理后土壤中均存在呋喃类、噻吩类、酮类、衍生类低环芳烃和衍生类硅氧化合物等产物。其中,呋喃、噻吩类产物的毒性较大,值得被重点关注。与去离子水对照和未活化过硫酸盐处理相比,腐殖酸联合亚铁离子活化处理后土壤中的有毒副产物(呋喃、噻吩)种类更多,但24h后这些组分的浓度均低于1mg·kg-1。含醌物质腐殖酸联合亚铁离子活化过硫酸盐氧化修复PAHs污染土壤的二次风险较低。
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