载钴陶粒活化过氧乙酸降解水中杂环类药物_朱珊珊.pdf
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1、第 43 卷第 3 期2023 年 3 月Vol.43,No.3Mar.,2023环境科学学报Acta Scientiae Circumstantiae载钴陶粒活化过氧乙酸降解水中杂环类药物朱珊珊,马杰,孔博宁,张徐祥,任洪强,黄辉*南京大学环境学院,污染控制与资源化研究国家重点实验室,南京 210023摘要:非均相钴活化过氧乙酸(PAA)是一种有前景的杂环类药物去除技术,然而目前报道的钴基催化剂通常为粉末状,难以回收,因此,构建可循环利用的非均相钴基催化剂及其活化PAA体系具有重要意义.通过浸渍煅烧法制备负载型钴基催化剂(载钴陶粒),系统研究了不同影响因素下载钴陶粒活化PAA体系降解水中典型
2、杂环类药物(磺胺甲恶唑(SMX)、磺胺嘧啶(SDZ)、卡马西平(CBZ)和甲氧苄啶(TMP)的性能.结果表明,其最优反应条件为:载钴陶粒投加体积比(载钴陶粒/反应溶液)为1 20(V/V),PAA浓度为150 mg L-1.当杂环类药物初始浓度为20 mg L-1时,反应30 min后SMX、SDZ、CBZ、TMP的降解率分别为96.42%、99.63%、96.74%和89.93%.溶液中的共存离子对杂环类药物的降解存在抑制作用,其影响为:HCO3-NO3-SO42-Cl-.反应结束后钴溶出浓度均低于1 mg L-1,符合我国地表水环境质量标准规定,但溶液发光细菌急性毒性均升高.经5次循环使用
3、后,载钴陶粒/PAA体系对除TMP以外的杂环类药物的去除率维持在85%左右.自由基淬灭实验结果表明,RO 自由基是PAA活化过程中的主要活性物种.关键词:杂环类药物;载钴陶粒;过氧乙酸;毒性;RO 自由基文章编号:0253-2468(2023)03-0030-10 中图分类号:X703 文献标识码:ADegradation of heterocyclic drugs in water by activation of peracetic acid with cobalt-loaded ceramic granulesZHU Shanshan,MA Jie,KONG Boning,ZHANG X
4、uxiang,REN Hongqiang,HUANG Hui*State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse,School of the Environment,Nanjing University,Nanjing 210023Abstract:Heterogeneous cobalt-activated peracetic acid(PAA)is a promising technology for the removal of heterocyclic drugs.However,cobalt-based catal
5、ysts reported at present are usually powders,which are difficult to be recycled.Therefore,it is of great significance to construct a recyclable heterogeneous cobalt-based catalyst and its activated PAA system.In this study,the cobalt-loaded ceramic granule catalyst was prepared by impregnation calci
6、nation method and the degradation performance of typical heterocyclic drugs in water(sulfamethoxazole(SMX),sulfadiazine(SDZ),carbamazepine(CBZ)and trimethoprim(TMP)by the ceramic granule-activated PAA system with different influencing factors was systematically investigated.The optimal reaction cond
7、itions were 1 20(V/V)for the volume ratio of cobalt-loaded ceramic granules to reaction solution and PAA concentration of 150 mg L-1.When the initial concentration of the heterocyclic drugs was 20 mg L-1,the degradation rates of SMX,SDZ,CBZ and TMP were 96.42%,99.63%,96.74%and 89.93%,respectively,af
8、ter 30 minutes of reaction.The coexisting ions in the solution inhibited the degradation of heterocyclic drugs,with the effect as follows:HCO3-NO3-SO42-Cl-.The concentration of cobalt ion in all solutions was lower than 1 mg L-1 after the reaction,which was in line with the Environmental Quality Sta
9、ndards for Surface Water of China,but the acute toxicity of the solution by bacterial luminescence assay all increased.The removal rate of heterocyclic drugs except TMP by cobalt-loaded ceramic granules activated PAA system was around 85%after five cycles of use.The results of the radical quenching
10、experiments showed that RO free radical was the main active species in the process of PAA activation.Keywords:heterocyclic drugs;cobalt-loaded ceramic granules;peracetic acid;toxicity;RO free radical1引言(Introduction)杂环类药物如磺胺甲恶唑(SMX)、磺胺嘧啶(SDZ)、卡马西平(CBZ)和甲氧苄啶(TMP)等已经成为现代药物中应用最多、最广的一大类,性质较稳定,难以自然降解.作为一
11、类高频检出的新兴微污染物,虽然它们DOI:10.13671/j.hjkxxb.2022.0268朱珊珊,马杰,孔博宁,等.2023.载钴陶粒活化过氧乙酸降解水中杂环类药物 J.环境科学学报,43(3):30-39ZHU Shanshan,MA Jie,KONG Boning,et al.2023.Degradation of heterocyclic drugs in water by activation of peracetic acid with cobalt-loaded ceramic granules J.Acta Scientiae Circumstantiae,43(3):30
12、-39收稿日期:2022-06-12 修回日期:2022-07-30 录用日期:2022-08-01基金项目:国家自然科学基金(No.51878336,52025102);江苏省优秀青年基金项目(No.BK20200063);江苏省碳达峰碳中和科技创新专项 资金项目(No.BK20220012)作者简介:朱珊珊(1996),女,E-mail:;*责任作者,E-mail:3 期朱珊珊等:载钴陶粒活化过氧乙酸降解水中杂环类药物通常以ng L-1或g L-1的浓度存在于水环境中(Senta et al.,2013;Tran et al.,2016;Tran et al.,2018),但可能造成神经毒
13、性(Champagne-Jorgensen et al.,2019),对环境和人类健康产生潜在风险(Blaser,2011;He et al.,2016),因而成为我国污水深度处理和再生利用中重点关注的污染物.过氧乙酸(PAA)具有高氧化电位(Eh0=1.061.96 V)(Kim et al.,2021),可在紫外线(Yang et al.,2017)/太阳光照射(Rizzo et al.,2018)、超声波照射(Anandan et al.,2020)或金属离子催化(Mandelli et al.,2007)等激活下产生活性自由基,因此,近年来基于PAA的高级氧化工艺用于去除难降解污染物逐
14、渐见诸报道(Kim et al.,2020;Wang et al.,2020;Ao et al.,2021).与其他过渡金属相比,钴是一种更有效的催化剂(Kim et al.,2020;Wang et al.,2020).为了克服钴均相催化带来的二次污染问题,Wu等(2020)采用Co3O4粉末非均相活化PAA实现了对橙黄G等有机污染物的高效降解,Wang等(2021)进一步应用磁性CoFe2O4粉末活化PAA,在200 molL-1 PAA和0.1 g L-1 CoFe2O4的条件下对10 molL-1 SMX的去除率达到87.3%.尽管非均相钴基催化剂活化PAA具有较好的杂环类药物去除效果
15、,但由于目前报道的钴基催化剂通常为粉末状,在实际污水处理中难以回收,因此,制备可循环利用的非均相钴基催化剂活化PAA对于含杂环类药物污水处理具有重要意义.陶粒是水处理中常见的滤料载体,具有成本低廉、结构稳定、易于操作和可循环利用等特点,年使用量巨大.以陶粒为基体制备载钴催化剂活化PAA,将为杂环类药物的去除提供新思路.然而,这方面的研究还鲜见报道.因此,本研究尝试采用陶粒作为载体制备负载型钴基材料,系统研究载钴陶粒投加量、PAA浓度、共存离子对新材料活化PAA降解典型杂环类药物(SMX、SDZ、CBZ和TMP)性能的影响,并考察毒性变化及去除机理,以期为载钴陶粒/PAA体系在污水深度处理领域的
16、应用提供参考.2材料与方法(Materials and methods)2.1试剂和材料SMX(98%)购自北京华威锐科化工有限公司,SDZ(99%)购自南京钝肯科学器材有限公司,TMP(99%)购自南京晚晴化玻仪器有限公司,CBZ(99%)购自南京巨优科学器材有限公司,复合过氧乙酸消毒液(wt15%)购自南京寿德生物科技有限公司.其他试剂包括六水合硝酸钴、硫酸钠、氯化钠、碳酸氢钠、硝酸钠、硫代硫酸钠和叔丁醇均为分析纯及以上级别,实验用水均为超纯水.检测所使用的发光细菌为费氏弧菌(Vibrio fischeri NRRL B-11177),购自北京安博纳科技有限公司.陶粒购自巩义市元泉环保科技
17、有限公司 (直径35 mm).2.2实验仪器液相色谱仪(HPLC,Waters e2695,Waters)、电感耦合等离子光谱仪(ICAP 7000,Thermo Co.,USA)、便携式发光细菌毒性仪(Delta Tox,北京安博纳科技有限公司)、X射线衍射光谱仪(XRD,XTRA,瑞士ARL公司)、扫描式电子显微镜(SEM,S-3400N,日本Hitachi公司).2.3载钴陶粒的制备及表征2.3.1载钴陶粒的制备称取2.91 g硝酸钴溶解于100 mL去离子水中,超声10 min后得到0.01 mol L-1钴离子溶液,然后加入100 g所购陶粒,在室温下静置24 h(每隔12 h搅拌一
18、次);将浸渍后的陶粒取出,置于鼓风干燥器内烘干(设定温度65),将烘干后的陶粒置于马弗炉内煅烧(煅烧温度为500,升温速率为5 h-1,煅烧时间为4 h);将煅烧后的陶粒用去离子水清洗,置于鼓风干燥器内烘干(设定温度65),以供后续实验使用.2.3.2载钴陶粒的表征XRD表征:本实验采用Cu阳极为射线源,波长为0.1542 nm,工作电流为45 mA,工作电压为45 kV,发射狭缝、防散射狭缝和接受狭缝均为1,扫描速度为5 min-1,扫描步长为0.05,扫描范围为1080.SEM-EDS分析:采用扫描电镜对样品形貌进行观察,并用能谱仪对样品所含元素进行分析.2.4降解实验及数据分析将100
19、mL初始浓度为20 mg L-1的单一目标污染物溶液倒入锥形瓶中,滴加H2SO4或NaOH溶液调节 初始pH为7.0左右,接着加入一定的制备陶粒并放置于摇床内5 min(设置摇床速度为120 rmin-1,温度为31环境科学学报43 卷25),使陶粒均匀分散.每隔一段时间取出反应溶液,立即加入50 L饱和硫代硫酸钠溶液,然后过0.22 m水系滤膜,用液相色谱仪定量分析其浓度.反应结束后,测定溶液中溶出的钴离子浓度.载钴陶粒的循环利用实验通过回收载钴陶粒并置于鼓风干燥器内烘干(设定温度65),以供下一次降解实验使用,降解实验条件与之前保持一致,循环次数为5次.根据拟一级反应速率常数(马念念等,2
20、015)计算公式(式(1)求得载钴陶粒/PAA体系的拟一级反应 速率常数.ln(ct/c0)=-kobst(1)式中,c0为杂环类药物的初始浓度(mg L-1),ct为杂环类药物在t时刻的浓度(mg L-1),kobs为拟一级反应速率常数(min-1).根据急性毒性计算公式(式(2)求得反应溶液的急性毒性(AT).AT=L/L0(2)式中,L0为未经处理的每个样品的发光细菌抑制率,而L为经过相应处理的样品的发光细菌抑制率.L/L0的 比值用作急性毒性的指标,即L/L0值越低,急性毒性越高,反之亦然(Yang et al.,2017;Guo et al.,2021).3结果与讨论(Results
21、 and discussion)3.1载钴陶粒的SEM-EDS表征结果图1是所购陶粒(C1)、普通烧制陶粒(C2)和载钴陶粒(C3)的SEM-EDS表征结果.可以看出,所购陶粒图1不同组别陶粒SEM-EDS表征结果Fig.1SEM-EDS characterisation results for different groups of ceramic granules323 期朱珊珊等:载钴陶粒活化过氧乙酸降解水中杂环类药物(C1)和普通烧制陶粒(C2)均未负载钴,而采取0.01 mol L-1钴离子浸渍浓度、500 煅烧温度的方法所制备的陶粒则有明显的钴负载,但含量较少,质量占比为0.41%
22、.制得的载钴陶粒较均匀,可增加材料与水溶液中污染物的接触面积,更加有利于催化反应(王渊源等,2022).3.2载钴陶粒活化PAA降解杂环类药物的性能3.2.1载钴陶粒投加量对降解效果的影响图2为载钴陶粒和反应溶液的体积比对杂环类药物降解的影响.由图2a可以看出,当体积比从0增加到1 10时,SMX的降解率也随之增加,30 min内SMX的降解率从1.03%增加到94.24%,在体积比为1 20时去除率达到最高为96.42%,拟一级反应动力学常数kobs从0.0009 min-1增加到0.2845 min-1.这是由于该催化体系中活性位点增多,加快产生了更多的自由基.Dong等(2022)利用新
23、型磁性催化剂(CoFe2O4BC)激活PAA产生自由基降解SMX,去除率在60 min内可以达到95.80%.Wang等(2020)利用Co/PAA体系在中性条件下降解SMX,发现反应15 min后其降解率仅为89.40%.而本研究所采用的载钴陶粒催化激活PAA对SMX的去除率在30 min内最高可达到96.42%,因此相比而言,制备的 载钴陶粒在催化降解SMX方面表现较为出色.为了进一步验证载钴陶粒/PAA体系优异的降解性能,继续选择3种目标污染物(SDZ、CBZ、TMP)进行探究,实验结果如图2b2d所示.可以发现,当载钴陶粒和反应溶液的体积比从0增加到1 10时,该体系对3种杂环类药物的
24、去除率也随之增加,SDZ的去除率从5.58%增加到98.84%,CBZ的去除率从4.79%增加到94.55%,TMP的去除率从10.47%增加到79.19%.当体积比为1 20时,体系对SDZ、CBZ、TMP的去除率也达到最高,分别为99.63%、96.74%和89.93%.总而言之,实验条件下载钴陶粒/PAA体系对典型杂环类药物均具有较高的降解效率,且所有组别反应后的溶液中钴离子浓度均小于1 mg L-1,满足我国地表水环境质量标准(GB3838-2002)中规定限值要求(中国环境科学研究院,2002).综合4种典型杂环类药物降解过程的拟一级反应动力学常数及污染物降解率最大化与载钴陶粒体积最
25、小化考虑,确定该反应体系最优体积比(载钴 图2载钴陶粒和反应溶液的体积比对杂环类药物降解的影响Fig.2Effect of the volume ratio of cobalt-loaded ceramic granules to reaction solution on the degradation of heterocyclic drugs33环境科学学报43 卷陶粒/反应溶液)为1 20.3.2.2PAA浓度对降解效果的影响图3为PAA浓度对杂环类药物降解的影响,可以看出,当PAA浓度从0 mg L-1增加到600 mg L-1,30 min内SMX的去除率分别为4.25%、82.61
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