热活化过硫酸钠体系氧化还原地下水中氯代烃的研究

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氯代烃是一种重要的有机溶剂和化工生产原料,广泛应用于化工、农药、医药、电子、制革、油漆、干洗和印刷等行业。由于在生产、运输、储存和使用过程中的疏漏,氯代烃容易泄露进入大气、地表水、土壤和地下水中,造成环境的污染。氯代烃污染物在自然界中自然降解缓慢,导致其对环境具有长期的危害,进而影响人体健康。本论文以污染场地地下水中常见的氯代烃污染物三氯乙烯(TCE)、1,1,1-三氯乙烷(TCA)和四氯化碳(CT)为研究对象,采用热活化过硫酸钠修复技术,开展氧化还原降解氯代烃污染物的研究。论文主要研究了热活化过硫酸钠体系中产生的活性氧自由基SO4·-、HO·和O2·-,及其在TCE和TCA降解过程中的作用,研究了热活化过硫酸钠体系强化还原难降解的氯代烃污染物CT。考察了工艺条件和水质参数对氯代烃降解效果的影响,并且阐明了氯代烃降解的机理。最后研究了热活化过硫酸钠体系降解氯代烃的复合污染,针对地下水中氯代烃的复合污染及其污染分布特性,提出了筛选热活化过硫酸钠技术降解复合氯代烃污染的原则。通过上述研究,得到如下结论:  (1)热活化过硫酸钠体系能有效降解地下水中TCE和TCA,50℃条件下当过硫酸钠投加量为30mM时,TCE和TCA可分别在25和60 min内完全降解,降解过程遵循准一级反应动力学模型,降解速率随着过硫酸钠浓度的增加而增大;过硫酸钠的分解遵循准一级反应动力学模型,过硫酸钠浓度越大,分解速率越小。热活化过硫酸钠体系中存在着活性氧自由基SO4·-、HO·和O2·-。过硫酸钠浓度越大,产生的SO4·-、HO·和O2·-越多,自由基强度越大,且活性氧自由基的产生和过硫酸钠初始浓度成正比关系。SO4·-和HO·对TCE降解起主要作用,而HO·对TCA的降解起到主要作用。  (2)热活化过硫酸钠体系能够有效降解CT,50℃条件下当过硫酸钠投加量为0.5 M时,60 h内CT降解96%。反应遵循准一级反应动力学模型。对CT降解起作用的是O2·-,CT通过碳氯键断裂得到降解。温度对热活化过硫酸钠降解CT影响较大,实验得到反应活化能为153.8 kJ mol-1。过硫酸钠浓度越大,产生的O2·-浓度越高,CT的降解速率越大。CT初始浓度较低时(5.0~10μM),其降解速率无显著差异,当初始CT浓度较大时,其降解速率下降。溶液初始pH对热活化过硫酸钠降解CT无显著影响。Cl-、HCO3-和腐殖酸对热活化过硫酸钠降解CT均有抑制作用。加入极性有机溶剂(甲醇、乙醇、丙酮、异丙醇)可扩大O2·-的反应活性,加快CT的降解。  (3)热活化过硫酸钠/甲酸体系能够高效还原CT,50℃条件下当过硫酸钠和甲酸投加量分别为20和30 mM时,CT可在180 min内完全降解,反应遵循准零级反应动力学模型,CT降解时起主要作用的自由基是CO2·-,CT完全降解时实际Cl-释放量为理论值的70.4%,反应过程中有可能产生了含氯中间产物(三氯甲烷)。反应温度越高,CT降解越快,反应活化能为96.1 kJ mol-1。过硫酸钠浓度越大,CT降解越快;甲酸浓度增加,CT降解速率增大;CT的初始浓度对其降解没有显著影响。酸性pH环境有利于CT的降解,而碱性条件下CT的降解受到抑制。Cl-、HCO3-(100 mM)、NO3-(100 mM)和腐殖酸(100 mg/L)对热活化过硫酸钠/甲酸体系降解CT有抑制作用;HCO3-(10 mM)和SO42-对CT的降解起到促进作用。  (4)热活化过硫酸钠降解氯代烃复合污染中,TCE在复合污染中的降解速率比其单独降解快;TCA在与CT的复合污染降解速率比其单独降解缓慢;当复合污染中的TCE或TCA浓度较高时,起到溶剂化作用,且可极大地促进CT的降解。热活化过硫酸钠/甲酸降解氯代烃复合污染中,TCE的降解速率慢于不加甲酸的情况;当过硫酸钠浓度达到60 mM时,TCA可降解;复合污染中CT降解的速率快于单独降解。当复合污染体系中存在较高浓度的TCE或TCA时,可选用热活化过硫酸钠技术降解氯代烃污染。当复合污染体系中以CT为主时,若TCE或TCA浓度较小时,可考虑应用热活化过硫酸钠/甲酸技术降解氯代烃污染;若TCE或TCA浓度同样较大时,则应考虑采用热活化过硫酸钠技术降解氯代烃复合污染。
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