謝欣卓,鐘金魁,2*,李 靜,鄭博文

Fe3O4-nZVI類Fenton法降解水中磺胺甲惡唑

謝欣卓1,鐘金魁1,2*,李 靜1,鄭博文1

(1.蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省黃河水環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州 730070)

采用共沉淀和液相還原兩步法制得四氧化三鐵負(fù)載納米零價(jià)鐵(Fe3O4-nZVI),將其作為類Fenton反應(yīng)的催化劑用于水中磺胺甲惡唑(SMX)的降解.通過批實(shí)驗(yàn)法研究了H2O2濃度?Fe3O4-nZVI投加量?pH值?SMX初始濃度?反應(yīng)溫度等因素對SMX降解的影響.SEM?EDS?XRD和XPS表征結(jié)果表明,制備的Fe3O4-nZVI為納米級磁性復(fù)合材料.批實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在一定實(shí)驗(yàn)條件范圍內(nèi),提高H2O2濃度?Fe3O4-nZVI投加量和反應(yīng)溫度,以及降低體系pH值,均可提高SMX的降解率.動力學(xué)擬合參數(shù)表明,SMX的類Fenton催化降解符合擬一級動力學(xué)模型.在25℃時(shí),當(dāng)H2O2濃度為10mmol/L?Fe3O4-nZVI投加量為0.8g/L?pH=3?SMX初始濃度為10mg/L,SMX在180min時(shí)的降解率為99.61%.用VSM測得Fe3O4-nZVI的飽和磁化強(qiáng)度為105.52emu/g,表明其易于磁回收.重復(fù)利用實(shí)驗(yàn)表明,Fe3O4-nZVI具有較好的反應(yīng)活性和穩(wěn)定性.自由基淬滅實(shí)驗(yàn)表明,·OH的氧化作用是SMX降解的主要機(jī)理.

Fe3O4-nZVI；高級氧化；類Fenton；磺胺甲惡唑

磺胺類抗生素(SAs)因其抗菌譜廣、性質(zhì)穩(wěn)定成為使用較多的抗生素,世界上許多河流沉積物、地下水和土壤中可檢出的SAs多達(dá)10幾種[1].磺胺甲惡唑(SMX)作為SAs的典型代表,在我國長江、黃河、珠江等水域均有檢出[2-3].低劑量時(shí)SMX仍具有生物活性,在相當(dāng)?shù)偷臐舛确秶鷥?nèi),也可能對水生生物構(gòu)成生態(tài)毒理風(fēng)險(xiǎn),進(jìn)而對人類健康帶來潛在危害.因此,有效消除環(huán)境中的SMX成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn).

Fenton法作為高級氧化技術(shù)(AOPs),廣泛用于有機(jī)污染物的處理[4].Fenton體系中的金屬催化劑與H2O2反應(yīng)生成的高活性·OH自由基可攻擊有機(jī)化合物,將其降解直至礦化.傳統(tǒng)均相Fenton催化反應(yīng)存在pH值適用范圍窄、鐵泥量大等缺點(diǎn).為此,相關(guān)研究提出用非均相催化劑取代均相催化劑,活化H2O2產(chǎn)生·OH[5].

納米零價(jià)鐵(nZVI)具有較強(qiáng)的吸附、還原及抗菌能力,是目前研究較多的環(huán)境納米材料[6].但由于nZVI粒徑小且具有磁性,極易團(tuán)聚,大大降低了nZVI的電子轉(zhuǎn)移能力和反應(yīng)活性.同時(shí),其在空氣中穩(wěn)定性差,表面易氧化[7-9],因此,對nZVI改性十分必要.其改性方法有金屬修飾、表面改性和固體負(fù)載等.研究表明負(fù)載法可以提高nZVI的穩(wěn)定性,抑制顆粒之間的團(tuán)聚,使其在水中的遷移能力顯著增強(qiáng),對污染物的處理效果大大提高[10].

近年來,鄧俊敏[11]以生物炭、Gopal等[12]以膨潤土為載體制備了nZVI復(fù)合材料與H2O2構(gòu)建非均相類Fenton體系,可分別去除74.04%的磺胺二甲基嘧啶和95%的四環(huán)素.陳苗等[13]用磁性納米Fe3O4活化H2O2,短時(shí)間內(nèi)幾乎可以完全降解20mg/L的SMX.由此可見,負(fù)載型nZVI和Fe3O4常作為類Fenton體系的非均相催化劑.以上研究雖然對污染物有較好的去除效果,也能實(shí)現(xiàn)部分催化劑的回收利用,但無法實(shí)現(xiàn)Fe0-Fe2+-Fe3+的動態(tài)循環(huán).將nZVI負(fù)載到Fe3O4上,可促進(jìn)Fe在Fenton體系中的內(nèi)循環(huán),減少鐵泥量,緩解nZVI的團(tuán)聚和氧化,提高污染物的降解效率,實(shí)現(xiàn)催化劑的高效磁回收利用,但這方面的研究還鮮見報(bào)道.

本文通過共沉淀和液相還原兩步法制得Fe3O4-nZVI納米復(fù)合材料,與H2O2結(jié)合,構(gòu)建類Fenton體系對SMX進(jìn)行降解研究.重點(diǎn)考察了H2O2濃度、Fe3O4-nZVI投加量、pH值、SMX初始濃度、反應(yīng)溫度、Fe3O4-nZVI回收利用次數(shù)對SMX降解效果的影響.初步探究了Fe3O4-nZVI類Fenton體系中SMX的降解機(jī)理.

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑

試劑:磺胺甲惡唑(SMX)購自上海麥克林生化科技有限公司(生物技術(shù)級);FeSO4?7H2O和FeCl3?6H2O購自上海阿拉丁生化科技股份有限公司;NaBH4和NH3·H2O購自天津大茂化學(xué)試劑有限公司;H2O2、NaOH購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑公司;CH3COOH購自利安隆博華(天津)醫(yī)藥化學(xué)有限公司;HCl購自北京化工廠.以上試劑均為分析純.CH3OH購自山東禹王和天下新材料有限公司(色譜純).高純氮?dú)赓徸韵剃杺悮怏w制造有限公司.

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

Fe3O4-nZVI的制備:首先通過共沉淀法制備納米Fe3O4,再通過自下而上制備法中的液相還原法制備nZVI,完成負(fù)載過程[14-16].

準(zhǔn)確稱取2.8082g的FeSO4?7H2O和5.4606g的FeCl3?6H2O至四口燒瓶,加入去離子水,在高純氮?dú)獗Ｗo(hù)下,持續(xù)攪拌溶解,緩慢滴入1mol/L的NH3·H2O (為使充分反應(yīng),氨水應(yīng)過量),反應(yīng)見式(1).

利用強(qiáng)磁鐵將制得的Fe3O4從懸濁液中分離,用去離子水清洗5遍后,將所得Fe3O4再次分散至含有FeSO4溶液的四口燒瓶中.在氮?dú)夥諊?通過恒壓漏斗緩慢滴加過量的NaBH4溶液,并不斷攪拌,當(dāng)NaBH4滴加完畢后繼續(xù)攪拌30min,即得Fe3O4- nZVI,反應(yīng)見式(2).

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1.3 實(shí)驗(yàn)方法

準(zhǔn)確稱取0.01g的SMX,先用少量色譜級甲醇助溶,再用去離子水定容于100mL棕色容量瓶,得100mg/L的SMX儲備液,4℃恒溫避光保存.SMX降解實(shí)驗(yàn)在50mL棕色具塞三角瓶中進(jìn)行,準(zhǔn)確量取一定量的SMX、H2O2、Fe3O4-nZVI、去氧水,控制反應(yīng)總體積為40mL.用0.1mol/L的HCl和NaOH調(diào)節(jié)反應(yīng)體系的初始pH值,將三角瓶密封置于恒溫振蕩器中.設(shè)定轉(zhuǎn)速為150r/min,調(diào)節(jié)反應(yīng)溫度,分別于10,30,60,90,120,150,180min時(shí)取樣2mL,過0.22μm膜,用高效液相色譜儀(HPLC)測定濾液中SMX的含量.取樣時(shí),在進(jìn)樣瓶中加入0.15mL甲醇對體系內(nèi)的自由基進(jìn)行淬滅.每組實(shí)驗(yàn)設(shè)2個平行樣.

1.4 分析方法

SMX濃度用液質(zhì)聯(lián)用儀(Thermo LCQ Advantage-40000)中的HPLC進(jìn)行測定,色譜柱為C18反相柱(4.6×150mm,5μm Thermo).流動相為甲醇和0.2%乙酸溶液(:=40:60),流速0.2mL/min,柱溫35℃,進(jìn)樣10μL,檢測波長270nm.

SMX降解率()計(jì)算見式(3),降解動力學(xué)數(shù)據(jù)用擬一級動力學(xué)方程擬合,見式(4).

式中:0和C分別為SMX的初始濃度和反應(yīng)時(shí)刻的濃度,mg/L;為反應(yīng)時(shí)間,min;為擬一級反應(yīng)速率常數(shù),min-1.

2 結(jié)果與討論

2.1 Fe3O4-nZVI的表征

由Fe3O4-nZVI放大20.00′103倍的掃描電鏡圖(SEM,圖1)可以看出,Fe3O4-nZVI納米顆粒呈球形,排列成鏈狀.但也發(fā)現(xiàn)Fe3O4-nZVI之間的團(tuán)聚現(xiàn)象嚴(yán)重,可能是磁偶極子和納米尺寸效應(yīng)所致[17],也可能是Fe3O4-nZVI分離回收時(shí)氧化團(tuán)聚所致.

由Fe3O4-nZVI的X射線能譜圖(EDS,見圖1)可知,制備的樣品中含有Fe、O、C、B、S元素,其中Fe、O元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大.Fe出現(xiàn)3個特征峰,是由于Fe元素原子核外層的電子向其他層躍遷時(shí),釋放出的能量不同,在能譜圖中顯示出不同峰值.Tan等[17]對制備的Fe0@Fe3O4的核和外層進(jìn)行EDS分析,證明了該復(fù)合材料的內(nèi)核為Fe3O4,由此推測Fe3O4-nZVI以Fe3O4為核,外層被nZVI球形粒子包覆.

圖2為nZVI、Fe3O4和Fe3O4-nZVI的X射線衍射圖(XRD),可用于分析物質(zhì)的晶相組成.將Fe3O4-nZVI的XRD圖與Fe3O4標(biāo)準(zhǔn)圖譜(JCPDS PDF#65-3107)進(jìn)行對比,在2=30.10°、35.46°、43.10°、53.47°、57.01°、62.60°處均有衍射峰,分別對應(yīng)Fe3O4晶體的(220)、(311)、(400)、(422)、(333)和(440)晶面,說明該材料中含有Fe3O4.在典型的nZVI衍射區(qū),Fe3O4-nZVI的XRD圖中僅有寬峰,說明nZVI在復(fù)合材料中呈無定形態(tài)[17].Fe3O4-nZVI衍射峰尖銳且窄,說明制得的復(fù)合材料結(jié)晶度較好.

圖2 nZVI、Fe3O4和Fe3O4-nZVI的XRD圖

室溫下3種物質(zhì)的磁化曲線如圖3所示,可以看出,nZVI、Fe3O4和Fe3O4-nZVI的飽和磁化強(qiáng)度(Ms)值分別為173.14,81.511和105.52emu/g.在外加磁場下,Ms值反映了磁分離性能,表明Fe3O4-nZVI易于實(shí)現(xiàn)固液分離[18],可磁回收利用,是該材料在水處理中使用的顯著優(yōu)勢.

圖3 nZVI?Fe3O4和Fe3O4-nZVI的磁化曲線

圖4為Fe3O4-nZVI的X射線光電子能譜(XPS)分析,全譜掃描分析表明在710.31, 530.57, 284.80eV分別對應(yīng)于Fe3O4-nZVI中的Fe 2p,O 1s和C 1s,表明制備的復(fù)合材料中有Fe、O、C 3種元素.Fe 2p中結(jié)合能為723.98和710.48eV時(shí)出現(xiàn)特征峰,分別為Fe 2p1/2和Fe 2p3/2.擬合后Fe02p3/2和Fe02p1/2的特征峰在結(jié)合能分別為706.74,719.67ev處出現(xiàn),兩處Fe0特征峰的出現(xiàn)說明復(fù)合材料中成功引入nZVI,Fe0含量較低可能是由于制備過程nZVI的氧化所致[19].

2.2 不同反應(yīng)體系對SMX降解的影響

圖5為25℃,pH=3,SMX初始濃度為10mg/L條件下,在H2O2、Fe3O4、nZVI單一體系及Fe3O4+H2O2、Fe3O4-nZVI、nZVI+H2O2、Fe3O4-nZVI +H2O2復(fù)合體系中SMX降解效果.

從圖中看出,在單獨(dú)的H2O2體系中,SMX經(jīng)過180min反應(yīng)后,去除率為13.63%,體系內(nèi)無活性自由基產(chǎn)生,SMX難以去除.在Fe3O4、Fe3O4+H2O2體系中SMX去除率分別為35.74%和38.32%,這是因?yàn)镕e3O4具有一定的吸附能力,對SMX產(chǎn)生了吸附作用.在nZVI體系中,SMX的去除率為54.54%,這可能是由于酸性條件下,nZVI發(fā)生腐蝕,產(chǎn)生Fe2+和電子,nZVI的還原作用對SMX進(jìn)行了一定程度的降解[20-21],另外,nZVI比表面積大,對SMX也有一定的吸附作用.相較于nZVI,在Fe3O4-nZVI體系中,去除率又增加了9.27%,可能是吸附和還原降解共同作用的結(jié)果.在nZVI+H2O2體系中,nZVI活化H2O2產(chǎn)生·OH,SMX降解率達(dá)到76.37%.Fe3O4-nZVI結(jié)合H2O2體系中,SMX降解率為94.09%,體系中的復(fù)合材料的核Fe3O4可以為體系提供更多的Fe2+,增加·OH的產(chǎn)生量.

圖5 不同反應(yīng)體系對SMX降解的影響

a、H2O2;b、Fe3O4;c、Fe3O4+H2O2;d、nZVI;e、Fe3O4-nZVI;f、nZVI+H2O2;g、Fe3O4-nZVI +H2O2

鐵基氧化物催化類Fenton降解SMX機(jī)理主要有(1)鐵氧化物在酸性條件下產(chǎn)生的Fe2+與H2O2反應(yīng)產(chǎn)生·OH;(2)H2O2吸附在鐵基氧化物表面,實(shí)現(xiàn)Fe3+和Fe2+的相互轉(zhuǎn)換,再與H2O2反應(yīng)產(chǎn)生·OH[22].因此·OH對氧化降解有機(jī)污染物起到了重要作用.

2.3 H2O2濃度對SMX降解的影響

圖6為25℃,SMX初始濃度為10mg/L,Fe3O4- nZVI投加量為0.6g/L,pH=3條件下,H2O2濃度對SMX降解的影響.

從圖中看出反應(yīng)150min后趨于穩(wěn)定.當(dāng)H2O2濃度在5～10mmol/L范圍內(nèi),增加H2O2濃度,180min時(shí)SMX的降解率由87.15%增加至94.33%;當(dāng)H2O2濃度繼續(xù)增加至15mmol/L時(shí),SMX降解率反而降低了11.48%.當(dāng)H2O2濃度為20mmol/L時(shí),SMX最大降解率為39.43%,降解效果較差.原因是H2O2作為類Fenton反應(yīng)體系中的關(guān)鍵因素,·OH產(chǎn)生速率和數(shù)量受到其濃度的限制,增加H2O2濃度,·OH產(chǎn)生量增多,SMX降解速率加快.但當(dāng)H2O2濃度過高時(shí),會發(fā)生·OH的消除反應(yīng)[23],見式(5)和式(6).反應(yīng)過程中雖有HO2·生成,但其氧化能力弱于·OH[24],導(dǎo)致SMX降解率降低.因此H2O2有拐點(diǎn)濃度,并不是越大越好,這與裴歡等[25]研究結(jié)果一致,后續(xù)實(shí)驗(yàn)中H2O2濃度選用10mmol/L.

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2.4 Fe3O4-nZVI投加量對SMX降解的影響

圖7為25℃,SMX初始濃度為10mg/L,H2O2濃度為10mmol/L, pH=3條件下,Fe3O4-nZVI投加量對SMX降解的影響.

圖7 Fe3O4-nZVI投加量對SMX降解的影響

當(dāng)Fe3O4-nZVI投加量在0.2～0.8g/L范圍時(shí),隨著Fe3O4-nZVI量的增加,SMX的降解率逐漸增大, 180min時(shí)SMX降解率由60.60%增至98.48%.原因是Fe3O4-nZVI越多,與H2O2結(jié)合的反應(yīng)活性位點(diǎn)越多,產(chǎn)生的·OH也就越多,SMX的降解也就越徹底[11].但當(dāng)Fe3O4-nZVI的量增至1.2g/L時(shí),SMX降解率反而下降至92.69%,這可能是Fe3O4-nZVI表面反應(yīng)活性位點(diǎn)增加,體系中·OH量增加,但·OH壽命極短,在液相中僅10-9s,還未與SMX發(fā)生反應(yīng),就被體系中的H2O2、HO2·、Fe2+消耗,分別見式(5)～式(7),·OH數(shù)量減少,SMX降解率就會下降[26].因此,后續(xù)實(shí)驗(yàn)中Fe3O4-nZVI投加量取0.8g/L.

2.5 pH值對SMX降解的影響

圖8為25℃,SMX初始濃度為10mg/L,H2O2濃度為10mmol/L,Fe3O4-nZVI投加量為0.8g/L條件下下,溶液初始pH值對SMX降解率的影響.

圖8 初始pH值對SMX降解的影響

從圖中可知,隨著pH值的增大,SMX的降解率下降.當(dāng)pH=3時(shí),180min時(shí)SMX降解率為98.97%,體系中大多數(shù)SMX被降解.當(dāng)pH值由4升高至5時(shí),降解率仍保持在75%以上.當(dāng)初始溶液呈中性時(shí),SMX降解率降至63.93%,隨著pH值繼續(xù)增大至9時(shí),SMX降解率降至55.63%.說明SMX的降解在酸性體系下效果更好.這是因?yàn)樗嵝詶l件下,有利于Fe2+的形成和維持,Fe2+對·OH的形成起關(guān)鍵作用,從而產(chǎn)生更多的·OH,同時(shí)nZVI的析氫腐蝕也發(fā)生在酸性條件,見式(8),nZVI被腐蝕導(dǎo)致表面積增大,從而增加Fe2+的釋放速率[27-28].當(dāng)反應(yīng)體系中pH值較高時(shí),體系中的H+減少,OH-增多,Fe2+容易發(fā)生沉淀,見式(9),高pH值加速了nZVI表面鈍化,阻止了nZVI進(jìn)一步釋放Fe2+[29].

Sun等[30]研究表明可離子化有機(jī)物在不同pH值下,由于pa的不同,會表現(xiàn)出不同的存在形態(tài)(分子態(tài)或離子態(tài)),影響有機(jī)物與氧化體系中的活性物質(zhì)的結(jié)合和反應(yīng).另一方面,不同pH值下,氧化體系中的自由基的類型和氧化能力也有所不同.SMX有1個堿性氨基(-NH2)和1個酸性亞氨基(-NH-),2個基團(tuán)的解離常數(shù)pa1= (1.85±0.30)和pa2= (5.60± 0.04)分別對應(yīng)苯胺的質(zhì)子化和磺酰胺的去質(zhì)子化.在特定的pH值下,氨基能夠獲得一個質(zhì)子,而亞氨基能夠釋放一個質(zhì)子[31].在3￡pH￡5時(shí),中性的SMX0占主導(dǎo);pH36時(shí),陰離子形式的SMX－占主導(dǎo);當(dāng)pH

2.6 SMX初始濃度對SMX降解的影響

圖9可得,在25℃,H2O2濃度為10mmol/L, Fe3O4-nZVI投加量為0.8g/L, pH=3的條件下,反應(yīng)180min,SMX初始濃度為5,10,15,20mg/L,SMX的降解率分別為99.78%、99.52%、97.27%和95.24%. SMX降解率均在95%以上,說明Fe3O4-nZVI類Fenton法對SMX有較好的降解效果.隨著SMX初始濃度的增加,SMX的降解率略有降低.可能是當(dāng)體系內(nèi)Fe3O4-nZVI的量一定時(shí),產(chǎn)生的·OH數(shù)量就一定,當(dāng)SMX濃度增加時(shí),·OH相對不足,SMX與·OH接觸的機(jī)率相對減少,同時(shí)體系內(nèi)產(chǎn)生的中間產(chǎn)物也會消耗一定的·OH[33].

圖9 SMX初始濃度對SMX降解的影響

2.7 反應(yīng)溫度對SMX降解的影響

圖10為SMX初始濃度為10mg/L,H2O2濃度為10mmol/L,Fe3O4-nZVI投加量為0.8g/L, pH=3時(shí),反應(yīng)溫度對SMX降解效果的影響,當(dāng)溫度由25℃升至45℃,反應(yīng)180min后,SMX降解率由99.61%增至99.92%,反應(yīng)溫度對SMX降解的影響并不明顯.在90min內(nèi), 45℃的反應(yīng)速率高于35℃和25℃,但隨著反應(yīng)時(shí)間的增加,SMX的降解率逐漸趨于穩(wěn)定.

圖10 反應(yīng)溫度對SMX降解的影響

在0～90min時(shí),隨著溫度升高,反應(yīng)體系獲得了能量,加劇了分子的熱運(yùn)動,SMX與體系中·OH的接觸更加充分,從而提高了反應(yīng)速率和降解率.升高溫度促進(jìn)了體系中復(fù)合材料表面nZVI轉(zhuǎn)變?yōu)镕e2+[28],繼而產(chǎn)生·OH降解SMX.反應(yīng)120min后,升高溫度對SMX最終降解率無明顯提升,而且高溫需要消耗大量能量,從節(jié)能角度出發(fā),最佳反應(yīng)溫度選25℃.

2.8 Fe3O4-nZVI重復(fù)利用性能

根據(jù)圖3磁化曲線分析可知,Fe3O4-nZVI在強(qiáng)磁場下易于回收分離,材料具有循環(huán)利用的優(yōu)勢.因此,本文對反應(yīng)后的Fe3O4-nZVI材料進(jìn)行磁回收.具體說,將反應(yīng)后的Fe3O4-nZVI材料利用強(qiáng)磁場分離后,先用甲醇清洗2～3遍,再用去離子水清洗2遍,洗去材料表面附著的污染物及可能存在的降解副產(chǎn)物,置于60℃真空干燥箱干燥.干燥后的樣品在單因素最佳實(shí)驗(yàn)條件下,即25℃, pH=3,SMX濃度為10mg/L,H2O2濃度為10mmol/L,Fe3O4-nZVI投加量為0.8g/L,進(jìn)行了Fe3O4-nZVI重復(fù)利用性能研究.

圖11為Fe3O4-nZVI循環(huán)使用次數(shù)對SMX降解率的影響.由圖看出,Fe3O4-nZVI使用4次,其對SMX的降解率仍保持在90%以上,表現(xiàn)出較好的反應(yīng)活性,說明該復(fù)合材料具有良好的循環(huán)利用性能.

圖11 Fe3O4-nZVI循環(huán)利用次數(shù)對SMX降解的影響

2.9 SMX降解動力學(xué)

表1 Fe3O4-nZVI類Fenton體系降解SMX的擬一級動力學(xué)擬合參數(shù)

由表1看出,Fe3O4-nZVI投加量、pH值、SMX初始濃度、反應(yīng)溫度、使用次數(shù)擬合結(jié)果中,相關(guān)系數(shù)2值均大于0.93,說明Fe3O4-nZVI對SMX的降解過程符合擬一級動力學(xué)方程.

H2O2濃度、Fe3O4-nZVI投加量、pH值擬合參數(shù)中的最大反應(yīng)速率常數(shù)()約為最小反應(yīng)速率常數(shù)的5倍多.當(dāng)SMX濃度從5mg/L增大到20mg/L時(shí),反應(yīng)速率常數(shù)約為原來的1/2,反應(yīng)活性降低.當(dāng)溫度由25℃升至45℃時(shí),由0.0361min-1增至0.0466min-1,根據(jù)阿倫尼烏斯公式(見式(10)),用ln對1/作圖,通過擬合后的斜率計(jì)算表觀活化能a.計(jì)算得該反應(yīng)需要的反應(yīng)活化能為10.12kJ/mol,活化能很低,表明催化活性很高[28,34].使用次數(shù)為1、2、3和4次分別對應(yīng)的為0.0361、0.0217、0.0191和0.0159min-1,材料使用1次的值與循環(huán)4次后相差約1.27倍,說明該材料重復(fù)使用后仍有較好的反應(yīng)活性和催化性能.

式中:為擬一級反應(yīng)速率常數(shù),min-1;為指前因子, min-1;是理想氣體常數(shù),8.314J/(mol·K);a為反應(yīng)活化能,kJ/mol,是絕對溫度,K.

2.10 自由基淬滅實(shí)驗(yàn)

據(jù)報(bào)道[35],在·OH氧化體系下,亞硝酸鈉(NaNO2)、甲醇(MeOH)、乙醇(EtOH)和叔丁醇(TBA)作為淬滅劑的淬滅效果更佳.

圖12 自由基淬滅實(shí)驗(yàn)

本文選取甲醇作為·OH的淬滅劑進(jìn)行淬滅實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)在25℃,H2O2濃度為10mmol/L、Fe3O4-nZVI投加量為0.8g/L、pH=3.0、SMX初始濃度為10mg/L的條件下進(jìn)行,空白為不加淬滅劑,淬滅組加入一定體積的甲醇.結(jié)果如圖12所示.反應(yīng)180min后SMX降解率由無淬滅劑的99.58%降低至有淬滅劑的27.54%,降解率下降了72.04%,表明類Fenton體系內(nèi)產(chǎn)生的·OH是SMX降解的主要機(jī)理.

Zhang等[36]、Huang等[37]在類Fenton體系中對SMX的降解實(shí)驗(yàn)研究表明,SMX降解的主要路徑有(1)·OH攻擊S-N鍵和C-N鍵,是SMX氧化降解的典型途徑;(2)苯環(huán)上的氨基作為富電子基團(tuán)易受到·OH攻擊,形成氧化產(chǎn)物,是經(jīng)典的氧化過程;(3)苯環(huán)上引入·OH后形成羥基化的SMX;(4)異惡唑環(huán)被打開或者是發(fā)生雙環(huán)加成反應(yīng).上述路徑生成的中間產(chǎn)物可在·OH進(jìn)一步氧化作用下,打開芳香環(huán)生成短鏈酸,短鏈酸氧化后可形成CO2和H2O,實(shí)現(xiàn)SMX的礦化.

3 結(jié)論

3.1 通過共沉淀和液相還原法制得Fe3O4-nZVI納米材料,并將其用于類Fenton反應(yīng)降解水中的SMX,在25℃,H2O2濃度為10mmol/L?Fe3O4-nZVI投加量為0.8g/L?pH=3?SMX初始濃度為10mg/L的條件下,反應(yīng)180min后,SMX降解率為99.61%.

3.2 Fe3O4-nZVI類Fenton法降解水中SMX的過程符合擬一級動力學(xué)模型.

3.3 Fe3O4-nZVI納米復(fù)合材料具有良好的重復(fù)利用性能,循環(huán)使用4次后, Fe3O4-nZVI類Fenton體系對SMX降解率仍保持在90%以上.

3.4 ·OH氧化SMX是Fe3O4-nZVI類Fenton技術(shù)降解SMX的主要機(jī)理.

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Degradation of sulfamethoxazole in water by Fenton-like method using Fe3O4-nZVI.

XIE Xin-zhuo1, ZHONG Jin-kui1,2*, LI Jing1, ZHENG Bo-Wen1

(1.School of Environmental and Municipal Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China；2.Key Laboratory of Yellow River Water Environment of Gansu Province, Lanzhou 730070, China)., 2022,42(7)：3103～3111

Fe3O4-nZVI was prepared by co-precipitation and liquid phase reduction method. The obtained Fe3O4-nZVI was used as catalyst of Fenton-like reaction to degrade sulfamethoxazole (SMX) in water. The effects of H2O2concentration, Fe3O4-nZVI dosage, pH of solution, SMX concentration and temperature on SMX degradation were investigated. The charactering results of SEM, EDS, XRD and XPS showed that the magnetic composite material with nanometer size was successfully prepared. The batch experimental results showed that the degradation rate of SMX in Fenton-like system increased as the increase of H2O2concentration, Fe3O4-nZVI dosage and temperature, and decrease of pH in studied experimental ranges. The fitting parameters of kinetic showed that SMX degradation fitted the pseudo-first-order kinetic model. Under the given conditions, which were H2O210mmol/L, Fe3O4-nZVI 0.8g/L, pH=3, SMX 10mg/L, and reaction temperature 25℃, the degradation rate of SMX was 99.61% at 180min. The magnetization of Fe3O4-nZVI was 105.52emu/g, indicating it was easy for magnetic recycle. Reused experiments showed that Fe3O4-nZVI had excellent reactivity and stability. Free radical quenching experiments showed that the oxidation of ·OH played a key role on degrading SMX in water.

Fe3O4-nZVI；advanced oxidation；Fenton-like；sulfamethoxazole

X703.1

A

1000-6923(2022)07-3103-09

謝欣卓(1997-),女,山西運(yùn)城人,蘭州交通大學(xué)碩士研究生,主要從事水污染控制研究.發(fā)表論文2篇.

2021-12-09

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(22166022);甘肅省科技計(jì)劃項(xiàng)目(20JR2RA002);蘭州交通大學(xué)大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目(DXS2022-035)

* 責(zé)任作者, 教授, zhongjk@mail.lzjtu.cn