草酸亚铁类Fenton体系的构建及其降解甲草胺的研究

发布时间：2020-06-22 17:57

【摘要】：迅猛的工业技术和科学技术的发展,大大便利了人类的生活,但是快速发展所导致的环境问题也日益严重。工业三废的排放、农药的不合理使用以及生活废弃物的排放导致水环境不断恶化。研究表明,农药的使用能有效的控制杂草虫害,增加农作物的产量,但是农药的不合理使用会导致土壤中农药残留现象的发生。这些残留的农药能通过降雨和径流等作用进入水体,形成严重的农药水污染。甲草胺是一种常用的芽前除草剂,因其作用范围广而广泛应用于农业生产中。由于其在环境中较为稳定且在水中的溶解度较高,世界各国都有水体中检测到甲草胺的报道。甲草胺对于人的皮肤、眼睛和肝脏具有一定的伤害。长期接触甲草胺甚至有致癌的风险。然而,甲草胺在自然条件下却很难被完全光解。因此,发展能完全去除甲草胺的技术迫在眉睫。Fenton氧化法是指Fe2+与双氧水反应生成羟基自由基(·OH)来降解污染物的技术。因具有操作简单、成本低廉、反应条件温等优点而收到了广泛的关注。然而,Fenton氧化法仍然存在双氧水利用率低、体系pH适用范围窄、容易产生铁泥等问题。文献研究表明,铁和草酸等还原性的有机配体形成络合物能抑制铁泥的产生并有效促进Fenton体系中的铁循环,从而提高体系中双氧水的利用率。然而关于铁和有机配体形成的晶体化合物在Fenton反应方面的应用很少被报道。草酸亚铁是一种典型的层状材料,它由铁原子与草酸根和水分子所形成的链状结构通过分子间氢键组装而成。根据氢键组装模式的不同,可以分为两种晶型α-FeC204·2H20和β-FeC2O4·2H2O。本课题组之前的研究表明α-FeC2O4·2H2O能分解双氧水降解污染物,且该体系适用pH广泛。但是其仍然存在双氧水利用率较低等问题。因此本论文着眼于构建高效的草酸亚铁类Fenton体系,并研究其反应机理,为该类Fenton体系在实际水污染治理中的应用提供一定的理论基础。首先,我们采用简单的真空加热法合成了不含结晶水的FeC2O4,然后将其应用于分解双氧水降解甲草胺中。通过设计实验,我们证明FeC2O4体系中均相Fenton反应过程和异相Fenton反应同时存在。且相比于α-FeC2O4·2H20,FeC2O4在两种反应过程中都展现出了更优越的性能。通过捕获实验,我们证明体系中的主要活性物种为分解双氧水产生的·OH。同时,我们采用GC-MS检测了甲草胺的降解中间产物,并推测出其可能降解路径。此外,TOC测试结果表明,FeC2O4体系能使甲草胺矿化速率变快。最后,我们提出了 FeC2O4分解双氧水降解甲草胺的机理。虽然,FeC2O4体系降解甲草胺速率较快,但是其反应过程中铁溶出量较多,导致FeC2O4无法循环使用,且FeC2O4体系并不能解决Fenton氧化法pH适用范围窄的问题。因此,接下来,我们合成了更为稳定的β-FeC2O4·2H2O,并在碱性条件下探究了其分解双氧水降解甲草胺的效果。实验结果证明,相对于α-FeC2O4·2H20,β-FeC2O4·2H2O在碱性条件下具有更优越的活性。对照实验表明,该体系中起作用的主要是表面二价铁。XPS结果表明,β-FeC2O4·2H20性能较好的原因是β-FeC2O4·2H2O不容易与溶液中的OH-结合。同时,我们也对碱性条件降解过程中甲草胺的降解路径进行推测。本论文证明我们构建的草酸亚铁类Fenton体系具有良好的去除污染物的性能,为草酸亚铁类Fenton体系在实际水污染处理中的应用提供了理论基础。
【学位授予单位】：华中师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X592;O627.81
【图文】：

地下水水质,水质状况,状况

１．１水污染现状逡逑工业技术和经济的快速发展给人类的生活带了许多的便利，同时也带来的一系逡逑列的问题，例如资源短缺、环境污染等。其中，工业三废、生活垃圾、农业污水等逡逑排放使人类赖以生存的自然环境不断被破坏，危害人类健康。逡逑我国２０１６年环境公报指出［１］，全国３８８个地级及以上城市中，仅８４个城市环逡逑境空气质量达标，占全部城市的２４．９％，大气污染情况相当严峻。除大气污染之外，逡逑我国水污染状况同样不容乐观，调查结果显示，全国地表水中，Ｉ类水、ＩＩ类水、逡逑ＨＩ类水、ＩＶ类水、Ｖ类水和劣Ｖ水类分别占２．４％、３７．５°／。、２７．９％、１６．８％、６．９％逡逑和８．６％。只有ＩＩＩ类及以上的水能用于饮用，也就是说地表水中可用于饮用水的水源逡逑仅占地表水的６７．８％。对地下水的调查结果则显示，在６１２４个地下水监测站点中，逡逑水质为优良级、良好级、较好级、较差级和极差级的监测点分别占１０．１％、２５．４％、逡逑４．４％、４５．４％和１４．７％，较好级以上地下水占比仅为３０．９％。７］Ｃ是人类赖以生存的逡逑重要资源，因此水污染的防治对于保障人类生存具有重要意义。逡逑Ｉｋ逦较差级

分布图,分布图,除草剂,甲草胺

为了增加粮食产量，我国农业生产过程中大量使用化肥和农药。据中国农药工逡逑会协会统计显示［６，＇邋２０１０年至２０１５年，我国农药市场平稳，及至２０１５年，我国逡逑农药产量达到了邋１３２．８万吨（图１．２）。其中除草剂、杀虫剂、杀菌剂所占比例分别逡逑为６２．１７％、２３．７８％和１１．３５％邋（图１．２）。同时，我国也是一个农药使用大国，２０１４逡逑年，我国农药使用量为３０．９２万吨。然而，我国农药利用率较低，只有１０％的农药逡逑得到有效的利用Ｗ，而剩余未被利用的农药一部分通过降雨等过程进入到水体，造逡逑成水体污染；另外一部分残留在作物表面，通过食物链进入人体，危害人类健康。逡逑（ａ）ｉｅｏＪ逦＾逦邋（ｂ）ｌ２0ｌ逦除菌剂W除虫Ｉ■－除－痛逡逑＾邋１４０－逦｜＿逦＾１＇逦１００＊逦W逡逑灥k逡逑２０１０逦２０１１逦２０１２逦２０１３逦２０１４逦２０１５逦２０１０逦２０１１逦２０１２逦２０１３逦２０１４逦２０１５逡逑图１．２邋（ａ）邋２０１０－２０１５年我国农药产量图；（ｂ）邋２０１０－２０１５年我国农药分布图逡逑１．１．３甲草胺除草剂的危害逡逑甲草胺（２－氯－Ｎ－（２，６－二乙基苯基）－Ｎ－（甲氧甲基）乙酰胺）是一种氯乙酰胺类芽前逡逑除草剂，广泛应用于棉花、玉米和大豆生长过程中一年生阔叶杂草的去除，１９６７年逡逑由美国孟山都公司研发并推广到全世界［８］。因其作用范围较宽，其在美国东西部的逡逑用量一度超过了常用除草剂阿特拉津［９］。甲草胺在环境中较为稳定

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