羧基化多壁碳纳米管促进类芬顿体系催化降解阿替洛尔(2)
1.4本论文研究目的与内容10
1.4.1研究目的10
1.4.2研究内容10
2材料与方法10
2.1材料10
2.1.1试剂11
2.1.2仪器11
2.2方法11
2.2.1实验步骤11
2.2.2分析方法11
3结果与讨论12
3.1碳纳米管浓度对Fe3+
/H2O2体系催化降解ATL的影响123.2Fe3+浓度对Fe3+
/H2O2体系催化降解ATL的影响123.3H2O2浓度对Fe3+
/H2O2体系催化降解ATL的影响133.4温度对Fe3+
/H2O2体系催化降解ATL的影响14
3.5pH对Fe3+
/H2O2体系催化降解ATL的影响15
3.6ATL浓度对自身降解的影响153.7Fe3+
/H2O2-MWCNTs体系催化降解ATL的机理探究16
4研究结论与展望17
4.1研究结论17
4.2展望17
致谢18
参考文献18
1 绪论 1．1 ATL 基本性质及环境污染现状 随着社会经济的迅速发展与科学技术的日益进步，一类新型的污染物--药品及个人护理品(Pharmaceuticals and personal care products，PPCPs) 受到广泛关注[2-3]。一般来说，PPCPs 的极性、水溶性均很强，并且难以被生物降解，这使得难以利用传统的污水处理方法去除这类化合物[3]，不能被完全降解的 PPCPs 将会以母体或其代谢产物的形式被排放入地表水或经过渗滤过程到达地下水，造成环境污染[4]。已有实验表明，PPCPs 对人体健康及生态系统均具有潜在的毒性[5]，例如，被广泛应用于合成多种类型的抗肿瘤、抗真菌感染、提高免疫力等药物的抗生素，可增加环境中微生物的耐受性。研究发现，环境中残留的不同类型的抗生素会造成基因水平、细胞水平、动植物水平或者生态水平的毒害作用。例如左氧氟沙星会造成基因损伤，林肯霉素以及磺胺甲噁唑均具有致突变性，大环内酯类药物会对水生态系统产生严重危害[6]。另有研究以虹鳟鱼(Oncorhynchus mykiss)作为受试动物，研究非甾体类消炎药二氯芬酸的毒性大小。结果显示，虹鳟鱼在二氯芬酸的影响下，其腮部和肾脏发生明显变化，主要是造成腮部毛细血管壁受损以及诱发肾小管的上皮细胞退化，并导致间质性肾炎[7]。 阿替洛尔（atenolol），又名氨酰心安，简写为 ATL，白色结晶性粉末，其分子式为C14H22N2O3，结构如图1所示，摩尔质量为 266.3 g/mol，密度为 1.125 g/cm3（25 ℃，100 kPa），熔点介于 150-152 ℃之间，微臭，水溶性较强，其溶解度为 0.3 mg/mL（pH = ATL是一种选择性 β-受体阻滞剂，主要用于治疗高血压、心绞痛和心律失常，疗效较好, 目前在临床上得到广泛的应用，尤其是在欧洲和北美被长期大量使用[8-9]。作为PPCPs 的一种，ATL 虽可以通过人体的新陈代谢进行分解，但大部分的 ATL 将会以本体及其代谢产物的形式排出体外，进入污水处理厂（wastewater treatment plant）[10-11]。此外，一些未使用或者因过期而废弃的药品也会直接进入污水处理厂，加重环境污染。由于 ATL 具有抗生物降解性，传统的污水处理工艺很难将其除去，未被清除的 ATL 及其产物将通过污水排放口进入环境，造成污染[12]。相关研究报道，该类药物主要是通过污水处理系统最终进入水体，导致水环境污染[13]。除此之外，填埋场的垃圾和粪便中残留的ATL，会随地表径流进入地表水，或者通过渗漏进入地下水，加重污染。 ATL的极性、水溶性均很强，并且难以被生物降解，这使得难以利用传统的污水处理方法去除这类化合物，大量的 ATL会随污水厂的废水一起排入自然环境，造成污染，很多地区水环境中已检测到 ng 级的 ATL。由于 ATL 在环境中主要以 ng 级别存在，其引发的潜在的慢性毒性相较于急性毒性更受关注[14-16] 。ATL 主要是通过影响细胞的形态及生理活性，从而影响其分裂分化过程[17]，最终对生物和人体产生毒性效应，主要表现为造成动物及人体的心率紊乱，引发畸变以及造成精子活力衰退等。因此， ATL 造成的环境污染不容忽视。 1．2 类芬顿体系 1.2.1 类芬顿体系简介 由Fe2+、过氧化氢(H2O2)组成的传统芬顿体系，具有强氧化作用，可以将大分子有机物氧化为 CO2和 H2O 等小分子化合物，对环境中的 PPCPs 污染起到缓解作用，是一种常用的污水处理方法。然而，在应用中，通常在芬顿体系的基础上加以改进，构建类芬顿体系，以拓宽其处理范围，提高处理效率，降低操作成本。目前，常用的类芬顿方法有超声芬顿法、光催化芬顿法、电芬顿法、微波芬顿法、过渡金属与过氧化氢结合的类芬顿法等。 （1）超声芬顿法： 超声芬顿法是综合超声技术的空化作用以及传统芬顿体系的强氧化作用，提高环境中PPCPs 降解效率的一种污水处理方法。由于超声可以通过空化作用使局部水环境拥有较高的温度、压强，可促进有机污染物的直接热解，因此，可大幅度降低过氧化氢的使用量，甚至不使用过氧化氢即可达到较好的降解效果，大大降低了处理成本。与此同时，该方法在中性pH 条件下或自然水环境中也可达到良好的降解效果，克服了传统芬顿法只适用于酸性条件的局限。 （2）光催化芬顿法： 光催化芬顿法，即在传统芬顿法的基础上，借助紫外光、可见光等光源的照射，形成UV-Fenton 系统。由于 UV和Fe2+对过氧化氢的分解具有协同效应，可提高羟基自由基的产生效率，促进难降解有机物的氧化降解。此外，由于一些底物在 UV照射下能够直接进行光降解，可减少 Fe2+以及 H2O2的投入量，节约成本。因此，UV-Fenton 技术也被广泛使用［18-19］ 。