电化学高级氧化技术深度处理抗生素左氧氟沙星的效能与机理研究

发布时间：2017-08-03 19:35

  本文关键词：电化学高级氧化技术深度处理抗生素左氧氟沙星的效能与机理研究

  更多相关文章： 左氧氟沙星 电芬顿 可生化性 螯合 金刚石电极(BDD) 矿化

【摘要】：抗生素滥用引起的环境污染已成为我国乃至全球面临的重大环境问题之一。其中抗生素左氧氟沙星(Levofloxacin,LVX)在氟喹诺酮类药品中使用率最高,药物残留严重超标,因此高效降解LVX具有重要意义。本论文采用电化学高级氧化技术之一的电芬顿过程(electro-Fenton,EF)对目标物LVX进行降解,从实现LVX完全降解(部分矿化)及完全矿化两个角度出发,考察了LVX在EF体系中的降解过程及反应机理,优化了系统反应条件,考察了体系可生化性变化,检测了降解中间产物,进而提出了LVX在EF过程中的降解历程。同时研究了LVX与金属离子Fe2+/Fe3+的螯合现象及其对EF和金刚石阳极(Boron-doped diamond electrode,BDD)强化EF过程降解LVX效能的影响,主要结果如下：(1)以降低处理成本为目的,利用EF提高可生化性研究：确定了EF处理LVX的最佳反应条件,即I=0.36 A,pH=3.0,Fe2+浓度1.00 mM及通入背景气体100mL min-1O2。在最佳条件下处理500 mL初始浓度为200 mg-L-1的LVX溶液,电解360min后溶液TOC去除率为61.0%。EF处理LVX 360 min后,体系的BOD5/COD值从初始LVX的0增加至0.24,溶液可生化性明显改善。继续处理到480,600和720 min后,溶液BOD5/COD值增加至0.32,0.41和0.55,表明溶液已易生化降解,可以利用低成本生化处理方法进行深度处理。EF对LVX的降解行为符合准一级反应动力学,表观速率常数为2.37×10-2min-1。通过UPLC-QTOF-MS/MS系统检测到LVX的8种降解中间产物,利用HPLC检测到3种有机酸,并使用IC检测到F、NO3-、NH4+等无机产物,在此基础上提出了LVX在EF体系中可能的降解历程。(2)以确定有机物螯合行为对降解效能影响为目标,考察LVX与Fe2+/Fe3+螯合机理及其对EF降解机制影响：研究表明LVX会与Fe3+发生螯合反应,最佳螯合比为[LVX]:[Fe3+]=2:1。在相同Fe2+或Fe3+浓度条件下,以Fe3+为催化剂的EF体系对LVX溶液的TOC去除率更高,说明Fe3+与LVX的螯合有利于EF对LVX废水的处理效果。EF降解过程中铁的转化规律研究表明,ACF阴极能有效还原Fe3+,维持溶液中Fe2+浓度,保持EF反应的持续高效进行。(3)以实现完全矿化为目的,利用BDD强化EF过程高效矿化LVX研究：在I=0.36A, pH=3.0, Fe2+ 1.00 mM及通入100mL min-1O2的最佳条件下,利用BDD-EF处理60 min就可实现200 mg-L-1 LVX完全降解,处理360 min后TOC去除率达到92%,说明BDD-EF既可快速去除目标污染物,又可快速实现目标物及其中间产物的矿化。检测到LVX在BDD-EF降解过程中生成了5种中间产物,3种有机酸及3种无机离子,并以此提出了LVX在BDD-EF体系中完全矿化路径。(4)以筛选最优处理工艺为目的,对比分析了LVX在RuO2/Tri-AO(Anodic oxidation)、EF、BDD-AO及BDD-EF四个过程中的降解效果及作用机理：结果表明各体系对LVX的降解速率：BDD-AORuO2/Ti-AOEFBDD-EF；而矿化效果：RuO2/Ti-AOEFBDD-AOBDD-EF,经360 min处理后,各体系TOC去除率分别为14.6%,79.4%,90.9%和92.0%。RuO2/Ti-AO体系中不产生H2O2和·OH,其他体系均有H202和·OH生成,电解120 min时生成H202浓度分别为215.3 μM(AO-H202).237.3 μM(BDD-AO)和515.3 μM(BDD-AO-H202),'OH浓度分别为78.0 μM(EF).85.8 μM(BDD-AO)和147.9 μM(BDD-EF),说明BDD的引入可以显著提高H202和·OH的产率,在BDD-EF体系中,BDD与ACF电极存在协同作用,体系氧化能力大于单独BDD与单独ACF作用的简单相加。
【关键词】：左氧氟沙星 电芬顿 可生化性 螯合 金刚石电极(BDD) 矿化
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X703
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-13
• 1 引言13-30
• 1.1 水体中抗生素物质的危害13-17
• 1.1.1 抗生素概述13-14
• 1.1.2 抗生素残留及环境问题14-15
• 1.1.3 抗生素类药物的主要处理方法15-17
• 1.2 电化学高级氧化技术17-22
• 1.2.1 电化学阳极催化氧化17-20
• 1.2.2 电化学阴极间接催化氧化20-22
• 1.3 典型的氟喹诺酮类抗生素-左氧氟沙星22-27
• 1.3.1 抗生素左氧氟沙星22-23
• 1.3.2 左氧氟沙星与金属离子螯合现象23-24
• 1.3.3 左氧氟沙星废水处理研究现状24-27
• 1.4 论文研究目的、主要内容及研究思路27-30
• 1.4.1 研究目的27
• 1.4.2 研究内容27-28
• 1.4.3 技术路线28-30
• 2 试验材料与方法30-37
• 2.1 试验药品及仪器30-31
• 2.1.1 试验药品及材料30-31
• 2.1.2 实验仪器31
• 2.2 反应装置31-33
• 2.3 试验方法33-34
• 2.3.1 H_2O_2的生成33
• 2.3.2 ·OH的生成33
• 2.3.3 Fe~(2+)和Fe~(3+)的转化33-34
• 2.3.4 电芬顿降解左氧氟沙星34
• 2.4 分析方法34-37
• 2.4.1 TOC及UV-Vis分析34
• 2.4.2 COD、BOD分析34-35
• 2.4.3 生物急性毒性分析35
• 2.4.4 LVX含量及有机酸测定35-36
• 2.4.5 离子色谱分析及氨氮的测定36
• 2.4.6 降解产物分析36-37
• 3 电芬顿处理左氧氟沙星废水提高其可生化性37-50
• 3.1 不同电化学过程降解LVX对比37-39
• 3.2 电芬顿降解LVX条件优化39-41
• 3.3 电芬顿降解LVX的可生化性提高41-43
• 3.4 电芬顿降解LVX的生物毒性变化43
• 3.5 电芬顿降解LVX的中间产物生成情况43-47
• 3.5.1 无机离子及有机酸生成43-44
• 3.5.2 LVX降解中间产物的UPLC-MASS分析44-47
• 3.6 LVX的EF降解历程分析47-48
• 3.7 本章小结48-50
• 4 LVX与Fe~(2+)/Fe~(3+)螯合机理及其对EF降解的影响50-65
• 4.1 Fe~(2+)/Fe~(3+)浓度对螯合的影响50-52
• 4.2 pH对LVX结构及与LVX-Fe~(3+)螯合的影响52-54
• 4.3 测定LVX与Fe~(3+)的螯合比54-57
• 4.4 电芬顿体系中铁的转化规律57-60
• 4.5 螫合对电芬顿降解左氧氟沙星的影响60-63
• 4.5.1 不同过程降解LVX效果对比60-61
• 4.5.2 Fe~(2+)/Fe~(3+)对EF降解LVX的影响61-63
• 4.5.3 溶液pH对EF降解LVX的影响63
• 4.6 本章小结63-65
• 5 BDD电极强化电芬顿降解左氧氟沙星65-80
• 5.1 不同阳极氧化过程降解LVX对比65-71
• 5.1.1 不同阳极氧化去除LVX能力对比65-67
• 5.1.2 不同阳极氧化对LVX矿化能力对比67-69
• 5.1.3 不同阳极氧化过程机理分析69-71
• 5.2 BDD-AO降解LVX条件优化71-72
• 5.2.1 电流强度对BDD-AO降解LVX的影响71-72
• 5.2.2 初始pH对BDD降解左氧氟沙星的影响72
• 5.3 BDD强化EF降解LVX72-79
• 5.3.1 不同过程对LVX降解及矿化能力对比72-73
• 5.3.2 BDD-EF体系条件优化73-75
• 5.3.3 BDD-EF体系中有机酸及无机离子生成75-76
• 5.3.4 BDD-EF降解LVX历程分析76-79
• 5.4 本章小结79-80
• 6 不同电化学过程降解LVX对比总结80-89
• 6.1 不同过程对LVX的降解及动力学分析80-81
• 6.2 不同过程对LVX矿化能力比较81-83
• 6.3 不同过程中LVX降解终产物生成情况83-86
• 6.3.1 有机酸生成83-84
• 6.3.2 无机离子产生84-86
• 6.4 不同过程对LVX降解机理探讨86-87
• 6.5 本章小结87-89
• 7 结论与展望89-91
• 7.1 结论89
• 7.2 展望89-91
• 参考文献91-100
• 作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果100-102
• 学位论文数据集102

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本文编号：616013