?

Fe3O4-nZVI類Fenton法降解水中磺胺甲惡唑

2022-07-19 01:12謝欣卓鐘金魁鄭博文
中國環境科學 2022年7期
關鍵詞:投加量復合材料納米

謝欣卓,鐘金魁,2*,李 靜,鄭博文

Fe3O4-nZVI類Fenton法降解水中磺胺甲惡唑

謝欣卓1,鐘金魁1,2*,李 靜1,鄭博文1

(1.蘭州交通大學環境與市政工程學院,甘肅 蘭州 730070;2.甘肅省黃河水環境重點實驗室,甘肅 蘭州 730070)

采用共沉淀和液相還原兩步法制得四氧化三鐵負載納米零價鐵(Fe3O4-nZVI),將其作為類Fenton反應的催化劑用于水中磺胺甲惡唑(SMX)的降解.通過批實驗法研究了H2O2濃度?Fe3O4-nZVI投加量?pH值?SMX初始濃度?反應溫度等因素對SMX降解的影響.SEM?EDS?XRD和XPS表征結果表明,制備的Fe3O4-nZVI為納米級磁性復合材料.批實驗結果表明,在一定實驗條件范圍內,提高H2O2濃度?Fe3O4-nZVI投加量和反應溫度,以及降低體系pH值,均可提高SMX的降解率.動力學擬合參數表明,SMX的類Fenton催化降解符合擬一級動力學模型.在25℃時,當H2O2濃度為10mmol/L?Fe3O4-nZVI投加量為0.8g/L?pH=3?SMX初始濃度為10mg/L,SMX在180min時的降解率為99.61%.用VSM測得Fe3O4-nZVI的飽和磁化強度為105.52emu/g,表明其易于磁回收.重復利用實驗表明,Fe3O4-nZVI具有較好的反應活性和穩定性.自由基淬滅實驗表明,·OH的氧化作用是SMX降解的主要機理.

Fe3O4-nZVI;高級氧化;類Fenton;磺胺甲惡唑

磺胺類抗生素(SAs)因其抗菌譜廣、性質穩定成為使用較多的抗生素,世界上許多河流沉積物、地下水和土壤中可檢出的SAs多達10幾種[1].磺胺甲惡唑(SMX)作為SAs的典型代表,在我國長江、黃河、珠江等水域均有檢出[2-3].低劑量時SMX仍具有生物活性,在相當低的濃度范圍內,也可能對水生生物構成生態毒理風險,進而對人類健康帶來潛在危害.因此,有效消除環境中的SMX成為當前研究的熱點.

Fenton法作為高級氧化技術(AOPs),廣泛用于有機污染物的處理[4].Fenton體系中的金屬催化劑與H2O2反應生成的高活性·OH自由基可攻擊有機化合物,將其降解直至礦化.傳統均相Fenton催化反應存在pH值適用范圍窄、鐵泥量大等缺點.為此,相關研究提出用非均相催化劑取代均相催化劑,活化H2O2產生·OH[5].

納米零價鐵(nZVI)具有較強的吸附、還原及抗菌能力,是目前研究較多的環境納米材料[6].但由于nZVI粒徑小且具有磁性,極易團聚,大大降低了nZVI的電子轉移能力和反應活性.同時,其在空氣中穩定性差,表面易氧化[7-9],因此,對nZVI改性十分必要.其改性方法有金屬修飾、表面改性和固體負載等.研究表明負載法可以提高nZVI的穩定性,抑制顆粒之間的團聚,使其在水中的遷移能力顯著增強,對污染物的處理效果大大提高[10].

近年來,鄧俊敏[11]以生物炭、Gopal等[12]以膨潤土為載體制備了nZVI復合材料與H2O2構建非均相類Fenton體系,可分別去除74.04%的磺胺二甲基嘧啶和95%的四環素.陳苗等[13]用磁性納米Fe3O4活化H2O2,短時間內幾乎可以完全降解20mg/L的SMX.由此可見,負載型nZVI和Fe3O4常作為類Fenton體系的非均相催化劑.以上研究雖然對污染物有較好的去除效果,也能實現部分催化劑的回收利用,但無法實現Fe0-Fe2+-Fe3+的動態循環.將nZVI負載到Fe3O4上,可促進Fe在Fenton體系中的內循環,減少鐵泥量,緩解nZVI的團聚和氧化,提高污染物的降解效率,實現催化劑的高效磁回收利用,但這方面的研究還鮮見報道.

本文通過共沉淀和液相還原兩步法制得Fe3O4-nZVI納米復合材料,與H2O2結合,構建類Fenton體系對SMX進行降解研究.重點考察了H2O2濃度、Fe3O4-nZVI投加量、pH值、SMX初始濃度、反應溫度、Fe3O4-nZVI回收利用次數對SMX降解效果的影響.初步探究了Fe3O4-nZVI類Fenton體系中SMX的降解機理.

1 材料與方法

1.1 實驗試劑

試劑:磺胺甲惡唑(SMX)購自上海麥克林生化科技有限公司(生物技術級);FeSO4?7H2O和FeCl3?6H2O購自上海阿拉丁生化科技股份有限公司;NaBH4和NH3·H2O購自天津大茂化學試劑有限公司;H2O2、NaOH購自國藥集團化學試劑公司;CH3COOH購自利安隆博華(天津)醫藥化學有限公司;HCl購自北京化工廠.以上試劑均為分析純.CH3OH購自山東禹王和天下新材料有限公司(色譜純).高純氮氣購自咸陽偉麗氣體制造有限公司.

1.2 實驗材料

Fe3O4-nZVI的制備:首先通過共沉淀法制備納米Fe3O4,再通過自下而上制備法中的液相還原法制備nZVI,完成負載過程[14-16].

準確稱取2.8082g的FeSO4?7H2O和5.4606g的FeCl3?6H2O至四口燒瓶,加入去離子水,在高純氮氣保護下,持續攪拌溶解,緩慢滴入1mol/L的NH3·H2O (為使充分反應,氨水應過量),反應見式(1).

利用強磁鐵將制得的Fe3O4從懸濁液中分離,用去離子水清洗5遍后,將所得Fe3O4再次分散至含有FeSO4溶液的四口燒瓶中.在氮氣氛圍中,通過恒壓漏斗緩慢滴加過量的NaBH4溶液,并不斷攪拌,當NaBH4滴加完畢后繼續攪拌30min,即得Fe3O4- nZVI,反應見式(2).

(2)

1.3 實驗方法

準確稱取0.01g的SMX,先用少量色譜級甲醇助溶,再用去離子水定容于100mL棕色容量瓶,得100mg/L的SMX儲備液,4℃恒溫避光保存.SMX降解實驗在50mL棕色具塞三角瓶中進行,準確量取一定量的SMX、H2O2、Fe3O4-nZVI、去氧水,控制反應總體積為40mL.用0.1mol/L的HCl和NaOH調節反應體系的初始pH值,將三角瓶密封置于恒溫振蕩器中.設定轉速為150r/min,調節反應溫度,分別于10,30,60,90,120,150,180min時取樣2mL,過0.22μm膜,用高效液相色譜儀(HPLC)測定濾液中SMX的含量.取樣時,在進樣瓶中加入0.15mL甲醇對體系內的自由基進行淬滅.每組實驗設2個平行樣.

1.4 分析方法

SMX濃度用液質聯用儀(Thermo LCQ Advantage-40000)中的HPLC進行測定,色譜柱為C18反相柱(4.6×150mm,5μm Thermo).流動相為甲醇和0.2%乙酸溶液(:=40:60),流速0.2mL/min,柱溫35℃,進樣10μL,檢測波長270nm.

SMX降解率()計算見式(3),降解動力學數據用擬一級動力學方程擬合,見式(4).

式中:0和C分別為SMX的初始濃度和反應時刻的濃度,mg/L;為反應時間,min;為擬一級反應速率常數,min-1.

2 結果與討論

2.1 Fe3O4-nZVI的表征

由Fe3O4-nZVI放大20.00′103倍的掃描電鏡圖(SEM,圖1)可以看出,Fe3O4-nZVI納米顆粒呈球形,排列成鏈狀.但也發現Fe3O4-nZVI之間的團聚現象嚴重,可能是磁偶極子和納米尺寸效應所致[17],也可能是Fe3O4-nZVI分離回收時氧化團聚所致.

由Fe3O4-nZVI的X射線能譜圖(EDS,見圖1)可知,制備的樣品中含有Fe、O、C、B、S元素,其中Fe、O元素質量分數較大.Fe出現3個特征峰,是由于Fe元素原子核外層的電子向其他層躍遷時,釋放出的能量不同,在能譜圖中顯示出不同峰值.Tan等[17]對制備的Fe0@Fe3O4的核和外層進行EDS分析,證明了該復合材料的內核為Fe3O4,由此推測Fe3O4-nZVI以Fe3O4為核,外層被nZVI球形粒子包覆.

圖2為nZVI、Fe3O4和Fe3O4-nZVI的X射線衍射圖(XRD),可用于分析物質的晶相組成.將Fe3O4-nZVI的XRD圖與Fe3O4標準圖譜(JCPDS PDF#65-3107)進行對比,在2=30.10°、35.46°、43.10°、53.47°、57.01°、62.60°處均有衍射峰,分別對應Fe3O4晶體的(220)、(311)、(400)、(422)、(333)和(440)晶面,說明該材料中含有Fe3O4.在典型的nZVI衍射區,Fe3O4-nZVI的XRD圖中僅有寬峰,說明nZVI在復合材料中呈無定形態[17].Fe3O4-nZVI衍射峰尖銳且窄,說明制得的復合材料結晶度較好.

圖2 nZVI、Fe3O4和Fe3O4-nZVI的XRD圖

室溫下3種物質的磁化曲線如圖3所示,可以看出,nZVI、Fe3O4和Fe3O4-nZVI的飽和磁化強度(Ms)值分別為173.14,81.511和105.52emu/g.在外加磁場下,Ms值反映了磁分離性能,表明Fe3O4-nZVI易于實現固液分離[18],可磁回收利用,是該材料在水處理中使用的顯著優勢.

圖3 nZVI?Fe3O4和Fe3O4-nZVI的磁化曲線

圖4為Fe3O4-nZVI的X射線光電子能譜(XPS)分析,全譜掃描分析表明在710.31, 530.57, 284.80eV分別對應于Fe3O4-nZVI中的Fe 2p,O 1s和C 1s,表明制備的復合材料中有Fe、O、C 3種元素.Fe 2p中結合能為723.98和710.48eV時出現特征峰,分別為Fe 2p1/2和Fe 2p3/2.擬合后Fe02p3/2和Fe02p1/2的特征峰在結合能分別為706.74,719.67ev處出現,兩處Fe0特征峰的出現說明復合材料中成功引入nZVI,Fe0含量較低可能是由于制備過程nZVI的氧化所致[19].

2.2 不同反應體系對SMX降解的影響

圖5為25℃,pH=3,SMX初始濃度為10mg/L條件下,在H2O2、Fe3O4、nZVI單一體系及Fe3O4+H2O2、Fe3O4-nZVI、nZVI+H2O2、Fe3O4-nZVI +H2O2復合體系中SMX降解效果.

從圖中看出,在單獨的H2O2體系中,SMX經過180min反應后,去除率為13.63%,體系內無活性自由基產生,SMX難以去除.在Fe3O4、Fe3O4+H2O2體系中SMX去除率分別為35.74%和38.32%,這是因為Fe3O4具有一定的吸附能力,對SMX產生了吸附作用.在nZVI體系中,SMX的去除率為54.54%,這可能是由于酸性條件下,nZVI發生腐蝕,產生Fe2+和電子,nZVI的還原作用對SMX進行了一定程度的降解[20-21],另外,nZVI比表面積大,對SMX也有一定的吸附作用.相較于nZVI,在Fe3O4-nZVI體系中,去除率又增加了9.27%,可能是吸附和還原降解共同作用的結果.在nZVI+H2O2體系中,nZVI活化H2O2產生·OH,SMX降解率達到76.37%.Fe3O4-nZVI結合H2O2體系中,SMX降解率為94.09%,體系中的復合材料的核Fe3O4可以為體系提供更多的Fe2+,增加·OH的產生量.

圖5 不同反應體系對SMX降解的影響

a、H2O2;b、Fe3O4;c、Fe3O4+H2O2;d、nZVI;e、Fe3O4-nZVI;f、nZVI+H2O2;g、Fe3O4-nZVI +H2O2

鐵基氧化物催化類Fenton降解SMX機理主要有(1)鐵氧化物在酸性條件下產生的Fe2+與H2O2反應產生·OH;(2)H2O2吸附在鐵基氧化物表面,實現Fe3+和Fe2+的相互轉換,再與H2O2反應產生·OH[22].因此·OH對氧化降解有機污染物起到了重要作用.

2.3 H2O2濃度對SMX降解的影響

圖6為25℃,SMX初始濃度為10mg/L,Fe3O4- nZVI投加量為0.6g/L,pH=3條件下,H2O2濃度對SMX降解的影響.

從圖中看出反應150min后趨于穩定.當H2O2濃度在5~10mmol/L范圍內,增加H2O2濃度,180min時SMX的降解率由87.15%增加至94.33%;當H2O2濃度繼續增加至15mmol/L時,SMX降解率反而降低了11.48%.當H2O2濃度為20mmol/L時,SMX最大降解率為39.43%,降解效果較差.原因是H2O2作為類Fenton反應體系中的關鍵因素,·OH產生速率和數量受到其濃度的限制,增加H2O2濃度,·OH產生量增多,SMX降解速率加快.但當H2O2濃度過高時,會發生·OH的消除反應[23],見式(5)和式(6).反應過程中雖有HO2·生成,但其氧化能力弱于·OH[24],導致SMX降解率降低.因此H2O2有拐點濃度,并不是越大越好,這與裴歡等[25]研究結果一致,后續實驗中H2O2濃度選用10mmol/L.

(6)

2.4 Fe3O4-nZVI投加量對SMX降解的影響

圖7為25℃,SMX初始濃度為10mg/L,H2O2濃度為10mmol/L, pH=3條件下,Fe3O4-nZVI投加量對SMX降解的影響.

圖7 Fe3O4-nZVI投加量對SMX降解的影響

當Fe3O4-nZVI投加量在0.2~0.8g/L范圍時,隨著Fe3O4-nZVI量的增加,SMX的降解率逐漸增大, 180min時SMX降解率由60.60%增至98.48%.原因是Fe3O4-nZVI越多,與H2O2結合的反應活性位點越多,產生的·OH也就越多,SMX的降解也就越徹底[11].但當Fe3O4-nZVI的量增至1.2g/L時,SMX降解率反而下降至92.69%,這可能是Fe3O4-nZVI表面反應活性位點增加,體系中·OH量增加,但·OH壽命極短,在液相中僅10-9s,還未與SMX發生反應,就被體系中的H2O2、HO2·、Fe2+消耗,分別見式(5)~式(7),·OH數量減少,SMX降解率就會下降[26].因此,后續實驗中Fe3O4-nZVI投加量取0.8g/L.

2.5 pH值對SMX降解的影響

圖8為25℃,SMX初始濃度為10mg/L,H2O2濃度為10mmol/L,Fe3O4-nZVI投加量為0.8g/L條件下下,溶液初始pH值對SMX降解率的影響.

圖8 初始pH值對SMX降解的影響

從圖中可知,隨著pH值的增大,SMX的降解率下降.當pH=3時,180min時SMX降解率為98.97%,體系中大多數SMX被降解.當pH值由4升高至5時,降解率仍保持在75%以上.當初始溶液呈中性時,SMX降解率降至63.93%,隨著pH值繼續增大至9時,SMX降解率降至55.63%.說明SMX的降解在酸性體系下效果更好.這是因為酸性條件下,有利于Fe2+的形成和維持,Fe2+對·OH的形成起關鍵作用,從而產生更多的·OH,同時nZVI的析氫腐蝕也發生在酸性條件,見式(8),nZVI被腐蝕導致表面積增大,從而增加Fe2+的釋放速率[27-28].當反應體系中pH值較高時,體系中的H+減少,OH-增多,Fe2+容易發生沉淀,見式(9),高pH值加速了nZVI表面鈍化,阻止了nZVI進一步釋放Fe2+[29].

Sun等[30]研究表明可離子化有機物在不同pH值下,由于pa的不同,會表現出不同的存在形態(分子態或離子態),影響有機物與氧化體系中的活性物質的結合和反應.另一方面,不同pH值下,氧化體系中的自由基的類型和氧化能力也有所不同.SMX有1個堿性氨基(-NH2)和1個酸性亞氨基(-NH-),2個基團的解離常數pa1= (1.85±0.30)和pa2= (5.60± 0.04)分別對應苯胺的質子化和磺酰胺的去質子化.在特定的pH值下,氨基能夠獲得一個質子,而亞氨基能夠釋放一個質子[31].在3£pH£5時,中性的SMX0占主導;pH36時,陰離子形式的SMX-占主導;當pH

2.6 SMX初始濃度對SMX降解的影響

圖9可得,在25℃,H2O2濃度為10mmol/L, Fe3O4-nZVI投加量為0.8g/L, pH=3的條件下,反應180min,SMX初始濃度為5,10,15,20mg/L,SMX的降解率分別為99.78%、99.52%、97.27%和95.24%. SMX降解率均在95%以上,說明Fe3O4-nZVI類Fenton法對SMX有較好的降解效果.隨著SMX初始濃度的增加,SMX的降解率略有降低.可能是當體系內Fe3O4-nZVI的量一定時,產生的·OH數量就一定,當SMX濃度增加時,·OH相對不足,SMX與·OH接觸的機率相對減少,同時體系內產生的中間產物也會消耗一定的·OH[33].

圖9 SMX初始濃度對SMX降解的影響

2.7 反應溫度對SMX降解的影響

圖10為SMX初始濃度為10mg/L,H2O2濃度為10mmol/L,Fe3O4-nZVI投加量為0.8g/L, pH=3時,反應溫度對SMX降解效果的影響,當溫度由25℃升至45℃,反應180min后,SMX降解率由99.61%增至99.92%,反應溫度對SMX降解的影響并不明顯.在90min內, 45℃的反應速率高于35℃和25℃,但隨著反應時間的增加,SMX的降解率逐漸趨于穩定.

圖10 反應溫度對SMX降解的影響

在0~90min時,隨著溫度升高,反應體系獲得了能量,加劇了分子的熱運動,SMX與體系中·OH的接觸更加充分,從而提高了反應速率和降解率.升高溫度促進了體系中復合材料表面nZVI轉變為Fe2+[28],繼而產生·OH降解SMX.反應120min后,升高溫度對SMX最終降解率無明顯提升,而且高溫需要消耗大量能量,從節能角度出發,最佳反應溫度選25℃.

2.8 Fe3O4-nZVI重復利用性能

根據圖3磁化曲線分析可知,Fe3O4-nZVI在強磁場下易于回收分離,材料具有循環利用的優勢.因此,本文對反應后的Fe3O4-nZVI材料進行磁回收.具體說,將反應后的Fe3O4-nZVI材料利用強磁場分離后,先用甲醇清洗2~3遍,再用去離子水清洗2遍,洗去材料表面附著的污染物及可能存在的降解副產物,置于60℃真空干燥箱干燥.干燥后的樣品在單因素最佳實驗條件下,即25℃, pH=3,SMX濃度為10mg/L,H2O2濃度為10mmol/L,Fe3O4-nZVI投加量為0.8g/L,進行了Fe3O4-nZVI重復利用性能研究.

圖11為Fe3O4-nZVI循環使用次數對SMX降解率的影響.由圖看出,Fe3O4-nZVI使用4次,其對SMX的降解率仍保持在90%以上,表現出較好的反應活性,說明該復合材料具有良好的循環利用性能.

圖11 Fe3O4-nZVI循環利用次數對SMX降解的影響

2.9 SMX降解動力學

表1 Fe3O4-nZVI類Fenton體系降解SMX的擬一級動力學擬合參數

由表1看出,Fe3O4-nZVI投加量、pH值、SMX初始濃度、反應溫度、使用次數擬合結果中,相關系數2值均大于0.93,說明Fe3O4-nZVI對SMX的降解過程符合擬一級動力學方程.

H2O2濃度、Fe3O4-nZVI投加量、pH值擬合參數中的最大反應速率常數()約為最小反應速率常數的5倍多.當SMX濃度從5mg/L增大到20mg/L時,反應速率常數約為原來的1/2,反應活性降低.當溫度由25℃升至45℃時,由0.0361min-1增至0.0466min-1,根據阿倫尼烏斯公式(見式(10)),用ln對1/作圖,通過擬合后的斜率計算表觀活化能a.計算得該反應需要的反應活化能為10.12kJ/mol,活化能很低,表明催化活性很高[28,34].使用次數為1、2、3和4次分別對應的為0.0361、0.0217、0.0191和0.0159min-1,材料使用1次的值與循環4次后相差約1.27倍,說明該材料重復使用后仍有較好的反應活性和催化性能.

式中:為擬一級反應速率常數,min-1;為指前因子, min-1;是理想氣體常數,8.314J/(mol·K);a為反應活化能,kJ/mol,是絕對溫度,K.

2.10 自由基淬滅實驗

據報道[35],在·OH氧化體系下,亞硝酸鈉(NaNO2)、甲醇(MeOH)、乙醇(EtOH)和叔丁醇(TBA)作為淬滅劑的淬滅效果更佳.

圖12 自由基淬滅實驗

本文選取甲醇作為·OH的淬滅劑進行淬滅實驗.實驗在25℃,H2O2濃度為10mmol/L、Fe3O4-nZVI投加量為0.8g/L、pH=3.0、SMX初始濃度為10mg/L的條件下進行,空白為不加淬滅劑,淬滅組加入一定體積的甲醇.結果如圖12所示.反應180min后SMX降解率由無淬滅劑的99.58%降低至有淬滅劑的27.54%,降解率下降了72.04%,表明類Fenton體系內產生的·OH是SMX降解的主要機理.

Zhang等[36]、Huang等[37]在類Fenton體系中對SMX的降解實驗研究表明,SMX降解的主要路徑有(1)·OH攻擊S-N鍵和C-N鍵,是SMX氧化降解的典型途徑;(2)苯環上的氨基作為富電子基團易受到·OH攻擊,形成氧化產物,是經典的氧化過程;(3)苯環上引入·OH后形成羥基化的SMX;(4)異惡唑環被打開或者是發生雙環加成反應.上述路徑生成的中間產物可在·OH進一步氧化作用下,打開芳香環生成短鏈酸,短鏈酸氧化后可形成CO2和H2O,實現SMX的礦化.

3 結論

3.1 通過共沉淀和液相還原法制得Fe3O4-nZVI納米材料,并將其用于類Fenton反應降解水中的SMX,在25℃,H2O2濃度為10mmol/L?Fe3O4-nZVI投加量為0.8g/L?pH=3?SMX初始濃度為10mg/L的條件下,反應180min后,SMX降解率為99.61%.

3.2 Fe3O4-nZVI類Fenton法降解水中SMX的過程符合擬一級動力學模型.

3.3 Fe3O4-nZVI納米復合材料具有良好的重復利用性能,循環使用4次后, Fe3O4-nZVI類Fenton體系對SMX降解率仍保持在90%以上.

3.4 ·OH氧化SMX是Fe3O4-nZVI類Fenton技術降解SMX的主要機理.

[1] Dmitrienko S G, Kochuk E V, Apyari V V, et al. Recent advances in sample preparation techniques and methods of sulfonamides detection – A review [J]. Analytica Chimica Acta, 2014,850:6-25.

[2] 趙富強,高 會,張克玉,等.中國典型河流水域抗生素的賦存狀況及風險評估研究 [J]. 環境污染與防治, 2021,43(1):94-102.

Zhao F Q, Gao H, Zhang K Y, et al. Occurrence and risk assessment of antibiotics in typical river basins in China [J]. Environmental Pollution & Control, 2021,43(1):94-102.

[3] 張晶晶,陳 娟,王沛芳,等.中國典型湖泊四大類抗生素污染特征[J]. 中國環境科學, 2021,41(9):4271-4283.

Zhang J J, Chen J, Wang P F, et al. Pollution characteristics of four-type antibiotics in typical lakes in China [J]. China Environmental Science, 2021,41(9):4271-4283.

[4] Yang B, Tian Z, Zhang L, et al. Enhanced heterogeneous Fenton degradation of Methylene Blue by nanoscale zero valent iron (nZVI) assembled on magnetic Fe3O4/reduced graphene oxide [J]. Journal of Water Process Engineering, 2015,5:101-111.

[5] 陳 勇,胡 鷺,譚 旎,等.Al0-Gr-Fe0活化O2類Fenton氧化降解土霉素的研究[J]. 中國環境科學, 2021,41(10):4645-4653.

Chen Y, Hu L, Tan N, et al. Oxidative degradation of oxytetracycline by a Fenton-like process with Al0-Gr-Fe0activated of O2[J]. China Environmental Science, 2021,41(10):4645-4653.

[6] Lv D, Zhou X, Zhou J, et al. Design and characterization of sulfide-modified nanoscale zero valent iron for cadmium(II) removal from aqueous solutions [J]. Applied Surface Science, 2018,442: 114-123.

[7] Zou Y, Wang X, Khan A, et al. Environmental remediation and application of nanoscale zero-valent iron and its composites for the removal of heavy metal ions: a review [J]. Environmental Science & Technology, 2016,50(14):7290-7304.

[8] Wu Y, Zhang J, Tong Y, et al. Chromium (VI) reduction in aqueous solutions by Fe3O4-stabilized Fe0nanoparticles [J]. Journal of Hazardous Materials, 2009,172(2/3):1640-1645.

[9] 徐海玉,張明青,陳翌昱.有機凹凸棒石負載納米零價鐵去除水中六價鉻[J]. 中國環境科學, 2019,39(12):5079-5084.

Xu H Y, Zhang M Q, Chen Y Y. Removal of Cr(VI) from aqueous solution using organically modified attapulgite-supported nanoscale zero-valent iron [J]. China Environmental Science, 2019,39(12):5079- 5084.

[10] Lyu H, Tang J, Huang Y, et al. Removal of hexavalent chromium from aqueous solutions by a novel biochar supported nanoscale iron sulfide composite [J]. Chemical Engineering Journal, 2017,322:516-524.

[11] 鄧俊敏.生物炭負載納米零價鐵在還原及氧化體系下對污染物的去除研究 [D]. 長沙:湖南大學, 2018.

Deng J M. A study on the application of nanoscale zero-valent iron/biochar composite on remediation of contaminated water in both reducing and oxidizing system [D]. Changsha: Hunan University, 2018.

[12] Gopal G, Sankar H, Natarajan C, et al. Tetracycline removal using green synthesized bimetallic nZVI-Cu and bentonite supported green nZVI-Cu nanocomposite: A comparative study [J]. Journal of Environmental Management, 2020,254:109812.

[13] 陳 苗,胡春華,郭昌勝,等.磁性Fe3O4納米顆粒的制備及其催化降解水中磺胺甲惡唑研究 [J]. 水資源與水工程學報, 2018,29(5):46- 52.

Chen M, Hu C H, Guo C S, et al. Synthesis of Fe3O4magnetic nanoparticles and its application in catalytic degradation of sulfamethoxazole in water [J]. Journal of Water Resources and Water Engineering, 2018,29(5):46-52.

[14] Huang R, Fang Z, Yan X, et al. Heterogeneous sono-Fenton catalytic degradation of bisphenol A by Fe3O4magnetic nanoparticles under neutral condition [J]. Chemical Engineering Journal, 2012,197:242- 249.

[15] Xu J, Tan L, Baig S A, et al. Dechlorination of 2,4-dichlorophenol by nanoscale magnetic Pd/Fe particles: Effects of pH, temperature, common dissolved ions and humic acid [J]. Chemical Engineering Journal, 2013,231:26-35.

[16] 黃雪征,張永祥,田振軍,等.納米零價鐵的制備?改性及場地應用研究進展 [J]. 水處理技術, 2021,47(1):12-18,26.

Huang X Z, Zhang Y X, Tian Z J, et al. Research progress in synthesis, modification and field application of nano zero-valent iron [J]. Technology of Water Treatment, 2021,47(1):12-18,26.

[17] Tan L, Lu S, Fang Z, et al. Enhanced reductive debromination and subsequent oxidative ring-opening of decabromodiphenyl ether by integrated catalyst of nZVI supported on magnetic Fe3O4nanoparticles [J]. Applied Catalysis B: Environmental, 2017,200:200-210.

[18] 劉煥聯,李賢英,魏貝貝,等.超順磁性納米Fe3O4的制備及其類Fenton反應性能[J]. 環境工程學報, 2017,11(6):3525-3531.

Liu H L, Li X Y, Wei B B, et al. Synthesis of super-paramagnetic Fe3O4nanoparticles and its Fenton-like properties [J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2017,11(6):3525-3531.

[19] Lv X, Xu J, Jiang G, et al. Highly active nanoscale zero-valent iron (nZVI)–Fe3O4nanocomposites for the removal of chromium(VI) from aqueous solutions [J]. Journal of Colloid and Interface Science, 2012, 369(1):460-469.

[20] Fu F, Dionysiou D D, Liu H. The use of zero-valent iron for groundwater remediation and wastewater treatment: A review [J]. Journal of Hazardous Materials, 2014,267:194-205.

[21] Sun X, Kurokawa T, Suzuki M, et al. Removal of cationic dye methylene blue by zero-valent iron: Effects of pH and dissolved oxygen on removal mechanisms [J]. Journal of Environmental Science and Health, Part A, 2015,50(10):1057-1071.

[22] Kwan W P, Voelker B M. Rates of hydroxyl radical generation and organic compound oxidation in mineral-catalyzed Fenton-like systems [J]. Environmental Science & Technology, 2003,37(6):1150- 1158.

[23] Kitajima N, Fukuzumi S, Ono Y, et al. Formation of superoxide ion during the decomposition of hydrogen peroxide on supported metals [J]. The Journal of Physical Chemistry, 1978,82(13):1505-1509.

[24] Wu H, Dou X, Deng D, et al. Decolourization of the azo dye Orange G in aqueous solution via a heterogeneous Fenton-like reaction catalysed by goethite [J]. Environmental Technology, 2012,33(14):1545-1552.

[25] 裴 歡,毛 飛,司友斌.納米鐵氧化物催化類Fenton反應降解抗生素磺胺[J]. 農業環境科學學報, 2015,34(7):1356-1362.

Pei H, Mao F, Si Y B. Degradation of antibiotic sulfanilamide in aqueous solution via a heterogeneous fenton-like reaction catalyzed by nano-iron oxides [J]. Journal of Agro-Environment Science, 2015, 34(7):1356-1362.

[26] 鄧景衡,文湘華,李佳喜.碳納米管負載納米四氧化三鐵多相類芬頓降解亞甲基藍[J]. 環境科學學報, 2014,34(6):1436-1442.

Deng J H, Wen X H, Li J X. Degradation of methylene blue by heterogeneous Fenton-like reaction using Fe3O4/carbon nanotube composites [J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2014,34(6):1436-1442.

[27] 關英紅,孫維敬,王盼盼.PMS/Fe0體系中自由基產率比及莠去津降解動力學[J]. 哈爾濱工業大學學報, 2022,54(2):50-58.

Guan Y H, Sun W J, Wang P P. Radical production ratio and atrazine degradation kinetics in PMS/Fe0system [J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 2022,54(2):50-58.

[28] Wei X, Gao N, Li C, et al. Zero-valent iron (ZVI) activation of persulfate (PS) for oxidation of bentazon in water [J]. Chemical Engineering Journal, 2016,285:660-670.

[29] 林愛秋,程和發.芬頓及光芬頓法降解氟喹諾酮類抗生素研究進展[J]. 環境化學, 2021,40(5):1305-1318.

Lin A Q, Cheng H F. Recent development in the degradation of fluoroquinolones by Fenton and photo-Fenton processes [J]. Environmental Chemistry, 2021,40(5):1305-1318.

[30] Sun X, Qin Y, Zhou W. Degradation of amoxicillin from water by ultrasound-zero-valent iron activated sodium persulfate [J]. Separation and Purification Technology, 2021,275:119080.

[31] Xekoukoulotakis N P, Drosou C, Brebou C, et al. Kinetics of UV- A/TiO2photocatalytic degradation and mineralization of the antibiotic sulfamethoxazole in aqueous matrices [J]. Catalysis Today, 2011, 161(1):163-168.

[32] Kobayashi M, Kurosu S, Yamaguchi R, et al. Removal of antibiotic sulfamethoxazole by zero-valent iron under oxic and anoxic conditions: Removal mechanisms in acidic, neutral and alkaline solutions [J]. Journal of Environmental Management, 2017,200:88-96.

[33] 王 磊,王海霞,呂效平.Fenton法處理水中4,4’-二溴聯苯及動力學研究[J]. 環境科學與技術, 2007,(12):69-72,121.

Wang L, Wang H X, Lv X P. Treatment of 4,4’-dibromobiphenyl aqueous solution by Fenton's reagent and its kinetics study [J]. Environmental Science & Technology, 2007,(12):69-72,121.

[34] 楊 博.金屬氧化物/石墨烯復合材料催化降解亞甲基藍研究[D]. 蘭州:蘭州大學, 2015.

Yang B. Study on the Degradation of methylene blue catalyzed by metal oxide/graphene composites [D]. Lanzhou: Lanzhou University, 2015.

[35] 白孟琦,李敏睿,丁欣欣,等.不同猝滅劑對SO4·-和·OH高級氧化體系的猝滅效果[J]. 工業水處理, 2021,41(8):75-80.

Bai M Q, Li M R, Ding X X, et al. Quenching effect of different quenchers on SO4·-and ·OH based advanced oxidation processes [J]. Industrial Water Treatment, 2021,41(8):75-80.

[36] Zhang X, Wang J, Duan B, et al. Degradation of sulfamethoxazole in water by a combined system of ultrasound/PW12/KI/H2O2[J]. Separation and Purification Technology, 2021,270:118790.

[37] Huang Y, Yang J. Degradation of sulfamethoxazole by the heterogeneous Fenton-like reaction between gallic acid and ferrihydrite [J]. Ecotoxicology and Environmental Safety, 2021,226: 112847.

Degradation of sulfamethoxazole in water by Fenton-like method using Fe3O4-nZVI.

XIE Xin-zhuo1, ZHONG Jin-kui1,2*, LI Jing1, ZHENG Bo-Wen1

(1.School of Environmental and Municipal Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China;2.Key Laboratory of Yellow River Water Environment of Gansu Province, Lanzhou 730070, China)., 2022,42(7):3103~3111

Fe3O4-nZVI was prepared by co-precipitation and liquid phase reduction method. The obtained Fe3O4-nZVI was used as catalyst of Fenton-like reaction to degrade sulfamethoxazole (SMX) in water. The effects of H2O2concentration, Fe3O4-nZVI dosage, pH of solution, SMX concentration and temperature on SMX degradation were investigated. The charactering results of SEM, EDS, XRD and XPS showed that the magnetic composite material with nanometer size was successfully prepared. The batch experimental results showed that the degradation rate of SMX in Fenton-like system increased as the increase of H2O2concentration, Fe3O4-nZVI dosage and temperature, and decrease of pH in studied experimental ranges. The fitting parameters of kinetic showed that SMX degradation fitted the pseudo-first-order kinetic model. Under the given conditions, which were H2O210mmol/L, Fe3O4-nZVI 0.8g/L, pH=3, SMX 10mg/L, and reaction temperature 25℃, the degradation rate of SMX was 99.61% at 180min. The magnetization of Fe3O4-nZVI was 105.52emu/g, indicating it was easy for magnetic recycle. Reused experiments showed that Fe3O4-nZVI had excellent reactivity and stability. Free radical quenching experiments showed that the oxidation of ·OH played a key role on degrading SMX in water.

Fe3O4-nZVI;advanced oxidation;Fenton-like;sulfamethoxazole

X703.1

A

1000-6923(2022)07-3103-09

謝欣卓(1997-),女,山西運城人,蘭州交通大學碩士研究生,主要從事水污染控制研究.發表論文2篇.

2021-12-09

國家自然科學基金資助項目(22166022);甘肅省科技計劃項目(20JR2RA002);蘭州交通大學大學生科技創新項目(DXS2022-035)

* 責任作者, 教授, zhongjk@mail.lzjtu.cn

猜你喜歡
投加量復合材料納米
磁混凝沉淀工藝處理煤礦礦井水實驗研究
再也不怕打針的納米微針
淺談現代建筑中新型復合材料的應用
神奇納米紙
Fenton試劑強化活性焦吸附處理反滲透濃水的實驗研究
金屬復合材料在機械制造中的應用研究
國產復合材料預浸料過程控制的認識與實踐
先進復合材料制造及過程控制技術
響應面法優化納米Fe3O4/CaO2處理含PAEs廢水的研究
混凝實驗條件下混凝劑最佳投加量的研究
91香蕉高清国产线观看免费-97夜夜澡人人爽人人喊a-99久久久无码国产精品9-国产亚洲日韩欧美综合