臭氧/单过硫酸盐对NDMA生成效能的影响与机理研究

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近年来研究发现,臭氧氧化处理含胺基化合物水体时,生成具有强致癌、致畸变、致突变性的消毒副产物N,N-亚硝基二甲胺(NDMA),而臭氧氧化技术由于其能满足去除有机物及消毒的要求,在实际生产中得以大规模运用。NDMA的生成极大的限制了臭氧的应用并对饮用水安全构成威胁。本研究采用臭氧/单过硫酸盐氧化技术,研究臭氧/单过硫酸盐氧化对典型NDMA前体物以及天然有机物生成NDMA的调控效果,并探究其作用机制。选取偏二甲肼(UDMH)作为代表化合物,研究O3/PMS体系削减UDMH氧化生成NDMA的成因。研究发现,在pH=7,O3=2.0mg/L,PMS=40μM时,体系对NDMA有效削减效率达到66%;tBA捕获实验表明体系中生成大量的·OH且对NDMA的削减有较大贡献。臭氧与单过硫酸盐的摩尔比例影响体系的能效。弱碱性条件和溴离子的存在下体系的削减效率提高;而HA和NOM的存在则由于竞争关系降低体系的削减效率。选取双(N,N-二甲基酰肼氨基-4-苯基)甲烷(TMDS)为代表化合物,研究O3/PMS体系中促进TMDS生成NDMA的机理。研究发现当PMS投加量从0增加到100μM时,NDMA的浓度从1.32持续升到3.04μg/L。且单独O3和O3/PMS氧化中,O3浓度增加都会导致NDMA的生成量增加。当臭氧剂量从0增加到4 mg/L时,NDMA达到最高的摩尔产率1.02%。弱酸性或弱碱性条件会抑制NDMA的生成,而水体中其他组分(Br-、HA)在低浓度时促进TMDS生成NDMA,高浓度时则出现抑制现象。选取三种实际水体为研究对象,考察O3/PMS氧化对不同NOM的NDMA生成潜能的影响。研究发现,O3/PMS预氧化可一定程度上削减微污染水体NDMA的生成潜能,如水库水中氯和氯胺消毒下分别削减33.2%和41.6%,回用水中分别削减17.2%和8.4%,而受污染严重的河流水中NDMAFP表现为促进NDMA的生成。基于分子电荷密度及轨道前线电子密度计算的结果提出了O3/PMS体系中UDMH及TMDS转化生成NDMA的路径。该成果探讨了O3/PMS体系对典型胺基化合物转化生成NDMA的控制作用,为进一步调控NDMA的生成提供了理论基础。三种NOM的实验为综合考虑前体物结构与水体水质参数的影响、建立系统的构效关系、进而选取合适的预氧化条件及后续消毒方式削减或控制NDMA生成提供理论依据与技术支持。
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