普鲁士蓝衍生物活化过硫酸盐降解地下水中磺胺二甲基嘧啶效能及机理研究

作     者：胡宇晗 

作者单位：中国环境科学研究院 

学位级别：硕士

导师姓名：杨昱

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 0815[工学-水利工程] 

主      题：过一硫酸盐 非自由基降解 地下水 磺胺二甲嘧啶 反应机制 

摘      要：磺胺二甲基嘧啶（SAT）被用作兽药添加剂广泛使用,但在生物消化系统中代谢较差,而传统水处理技术在从污染水中去除SAT方面效率低下,因此其广泛存在于沉积物、土壤、河流和地下水中,对环境和人体健康构成威胁。基于目前的污染现状,开发一种有效且生态友好的处理方法来有效去除地下水中SAT至关重要。本研究以地下水中SAT为处理对象,采用过硫酸盐氧化技术,以地下水中常见的铁、锰为中心金属,通过共沉淀法制备出高效、稳定、无毒且环境友好的铁锰金属催化剂（MnFe-NC）,完成对地下水中SAT的高效降解。并通过实验室静态试验及在实际地下水砂柱模拟实验,探究材料的反应性能、活性位点、稳定性及污染物的降解机理、中间产物的毒性分析,为地下水中以SAT为代表的新兴抗生素污染修复提供科学的参考依据。主要成果如下: 通过在氮气氛围下热解前驱体-普鲁士蓝类似物,制备了具有更多活性位点的碳壳包裹的复合金属颗粒MnFe-NC,在高温绝氧环境下,金属配位的CN骨架转变成碳壳结构,从而减少了材料中金属离子的浸出。在不同p H水平下,铁和锰离子的浸出量分别低于0.1392 mg/L和0.0580 mg/L。MnFe-NC活化过一硫酸盐降解SAT具有良好的性能,在最优条件下,去除效果可以达到100%,同时去除性能几乎不受水环境中p H的影响,而共存离子对该体系的影响较小。 该反应体系主要通过以高价金属为主导的非自由基和自由基氧化途径协同作用。其主要活性位点为MnIV及碳壳中所掺杂的石墨氮,形成直接电子转移,同时,铁的掺杂促进了锰的价态循环。进一步通过砂柱试验,模拟真实的地下水环境系统,考察SAT的浓度、地下水流速等条件对于污染物降解的影响。在不同地下水不同流速,投加摇床实验中所优化的氧化剂的浓度,该反应体系均可实现对于SAT的完全降解。在0.5 m L/min的流速下,该体系对于SAT的最大去除量约为45 mg/L,而在1.0 m L/min的流速下,最大去除量约为40 mg/L。 本研究对非自由基氧化反应的反应机理和催化中心的本构关系有了新的认识,同时为地下水磺胺类有机污染的修复提供科学的参考依据。