超声波/零价铁协同降解氯代有机物特性及QSAR研究

作     者：张良长 

作者单位：湘潭大学 

学位级别：硕士

导师姓名：戴友芝

授予年度：2008年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 

主      题：超声空化 铁 有机废水 定量结构-活性 偏最小二乘 

摘      要：超声波-零价铁联用技术集超声高级氧化、零价铁还原于一体,能有效去除废水中持久性有机污染物。本文试图构建超声波/零价铁协同体系(US/Fe),以氯代有机物为目标污染物,考察两者的协同效应,系统而深入的研究各主要控制参数对该体系中氯代有机物降解的影响规律;并以US/Fe体系水溶液特性为研究对象,探讨两者协同作用机理;引用QSAR研究方法,建立氯代有机物在协同体系中的降解活性与分子结构之间的定量关系模型。 本文选择三氯甲烷(CHCl)、1,2,4-三氯苯(TCB)、2,3,4,6-四氯酚(TeCP)为目标污染物,考察其在US/Fe体系中降解速率,证明超声波与零价铁之间存在明显协同效应,三种目标污染物降解速率依次为TCB TeCP CHCl。系统研究了Fe投加量、溶液初始pH、目标污染物初始浓度、超声功率、溶液离子强度对三种目标污染物降解速率的影响,结果表明:①Fe量对三种目标污染物在US/Fe体系中的降解速率影响均存在一最佳值;②其他四个控制参数的影响随目标污染物不同而存在不同的影响规律,其一般性规律可以归结为,pH中性条件对降解有利、降解速率随着超声功率的增大而增大;③综合各控制参数对三种目标污染物降解速率的影响,可以推断CHCl的降解主要以超声空化泡内热解为主,Fe还原作用对TCB的降解有着相对较大的影响,TeCP的降解则主要以主体溶液中的·OH氧化为主。US/Fe体系水溶液中pH值、Fe离子、·OH及HO浓度间存在着动态平衡;Fe量2g·L-1时体系·OH及HO生成量最大,此时Fe对超声空化氧化效应的促进作用最大;pH碱性条件下有利于体系中·OH及HO生成。 在此基础上测定了31种氯代有机物(9种氯代脂肪烃、8种氯苯、14种氯酚)在US/Fe体系中的拟一级降解动力学常数,通过量子化学计算手段及相关实验数据库获得49种氯代有机物(18种氯代脂肪烃、12种氯苯、19种氯酚)的31个分子结构参数,采用PLS统计学方法,建立了稳健性好、预测能力强的氯代脂肪烃QSAR、氯苯类QSAR、氯代有机物总体QSAR等四个模型,并通过模型预测出49种氯代有机物在US/Fe体系中的降解速率常数。三类氯代有机物在协同体系中的降解速率大体遵循如下顺序:氯苯类氯代脂肪烃类氯酚类。通过模型分析可以得出:所选择的31个分子结构参数中,描述氯代有机物中C-Cl键性能的电性参数(分子中最正氢原子电荷、最负碳原子电荷以及与最负碳原子相连的Cl原子电荷),描述分子整体性质的能量参数(分子零点能、分子热能、分子动能、分子势能),以及辛醇水分配系数对模型贡献最大;并从理论上进一步分析论证了氯代脂肪烃与氯苯类物质在US/Fe体系中的降解途径。