CN104140137A - 紫外或可见光源联合碱性物质去除水体中EDCs的方法 - Google Patents

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蒋峰芝
肖明
李晗
张阿丽
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Abstract

本发明涉及了一种紫外或可见光源联合碱性物质去除水体中环境内分泌干扰物（EDCs）的方法，向含有环境内分泌干扰物的溶液（浓度为1-60mg/L）中加入碱性物质，碱性物质的浓度为0.00001-1mol/L，搅拌均匀，暗反应30min，用紫外或可见光源（紫外光源：20W紫外灯、100W汞灯、500W汞灯；可见光源：250W氙灯、500W氙灯、250W金卤灯、500W金卤灯）辅以照射，照射时间为0.5h-8h，检测反应后溶液中内分泌干扰物的含量，加酸中和。该方法对内分泌干扰物的降解率可达75%-100%。本发明操作简单，反应条件温和，无二次污染，无需固液分离，对光响应范围广范，对多种污染物均适用，工业化前景好。

Description

紫外或可见光源联合碱性物质去除水体中EDCs的方法
技术领域
本发明涉及一种紫外或可见光源结合碱性物质去除水体中内分泌干扰物(EDCs)的降解方法，该方法能较方便安全高效的去除水体中的内分泌干扰物，减少环境内分泌干扰物在水体中的环境危害。
背景技术
环境内分泌干扰物(EDCs)又叫环境类激素，是指在环境中持久存在的，并会介入机体内，干扰机体本身正常激素的合成，分泌，运输，体内代谢，结合等过程的外源性物质。环境中许多物质均具有内分泌干扰作用，这些物质种类繁多，差异性大。既包括难降解的持久性有机污染物（POPs）（如多氯联苯、二恶英、有机氯农药等），又有易分解的动物及人类排泄的激素、生育控制药物（类固醇类）、塑料添加剂及洗涤剂降解产物（酚类）、天然植物激素、极性除草剂、杀虫剂、微生物毒素以及某些重金属等。
随着科技的发展和工业化时代的到来，环境内分泌干扰物来源更加广泛，既包括工业废水废渣的排放和堆积，农业生产中的植物生产调节剂及农药化肥的使用，又包括生活中的固醇类避孕药物，洗涤剂，塑料制品等。环境内分泌干扰物本身具有浓度低毒性大，可富集等特点，逐级放大后，直接或间接进入人体，干扰体内性激素，使体内的内分泌失衡，性激素代谢异常，进而引起哺乳动物以及人类的生殖障碍发育异常，甚至致癌等。由于环境内分泌干扰物的存在以及对人类和动物的危害性已经得到证实，治理环境内分泌干扰物越来越受到关注，成为国际研究的热点。因此，寻找一种方便、快捷、无毒、高效的降解环境内分泌干扰物的方法具有十分重要的意义。
目前，治理水体中环境内分泌干扰物的方法主要有生物降解法如菌株降解，物理法如吸附法，化学法如Fenton 氧化、电化学氧化、等离子体技术、光降解法。研究表明微生物降解具有一定的选择性，因此很难找到对多种内分泌干扰物都有效的微生物菌种，且菌种培养所需的条件要求高，降解周期长等特点，限制了此法在实际中的应用。物理法中吸附法对内分泌干扰物的吸附效果不够理想。且容易解吸附，并且耗能较大，进而使其应用前景受到影响。光降解法是化学法中最常用的方法，此法优势在于操作工艺简单方便，成本低，能耗小，常温常压下就可实现有机污染物的氧化降解，因而受到了广泛关注。
传统的光降解主要是光催化降解，原理是利用氧化剂，在光催化剂存在的情况下，将污染物氧化降解。但此种方法在治理污染物时存在一些缺陷，如反应后需要将固体催化剂分离，常用的纳米颗粒催化剂本身是否有生物毒性仍存在争议，且半导体做催化剂电子-空穴容易发生复合，导致催化效率不高，多数光催化剂只对紫外光源有响应，对太阳光（紫外光源只占3-5%）的利用率不高，并且对结构复杂的有机污染物降解效果不理想等，这些缺陷严重制约了其在水污染治理中的实际应用。
此外，有少量文献报道了不使用光催化剂的情况下，直接采用光源照射来进行水体中环境内分泌干扰物的光解。如展漫军等（中国环境科学，2005,25（4）:487-490.）研究了在辐射光源为500W汞灯时，双酚A在硝酸根溶液中的光解，但此种方法使用的光源只是单一的紫外光源，对太阳光的利用率低(紫外仅占3-5%)，应用前景有限。同时硝酸根对污染物光降解的促进主要是通过产生亚硝酸根来实现的，而亚硝酸根本身具有致癌性，且由于NO2 -，NO3 -的存在，容易引起芳香烃污染物的硝化，随之产生一系列羟基硝基衍生物，造成对环境的二次污染。中国专利（申请号201310068967,6，授权公告号CN103130389B）采用紫外线联合双氧水去除污泥中内分泌干扰物的方法，但同样该方法利用的是紫外光源，且双氧水的成本较高，同时作为一种强氧化剂，过量的双氧水也具有生物毒性。所以，我们试图寻找一种更方便、安全的方法，利用紫外或可见光源对内分泌干扰物进行高效的光降解。
发明内容
本发明目的在于提供一种工艺简单，成本低，无毒，无需固液分离，适用范围广，降解效率高以及工业化前景大的去除环境内分泌污染物方法。
 为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种紫外或可见光源联合碱性物质去除水体中内分泌干扰物的方法，过程如下：向待处理的含有内分泌干扰物的溶液中加碱性物质，碱性物质的投加量为0.00001-1mol/L(所述碱性物质是NaOH、KOH、Ca(OH)2或它们的混合物)，搅拌均匀，暗反应30min, 再用紫外光源或可见光源（20W紫外灯、100W 汞灯、500W汞灯、250W氙灯、500W氙灯、250W金卤灯、500W金卤灯）照射含有内分泌干扰物的水样，照射时间为0.5h-8h，检测水样中内分泌干扰物含量，降解率可达75%以上。最后向反应后的溶液中加入HCl中和至中性。
所述内分泌干扰物是含酚羟基的酚类、类固醇类内分泌干扰物或它们的混合物，酚类内分泌干扰物是烷基酚、硝基酚、氯酚或双酚A(BPA)，类固醇类内分泌干扰物是雌酮(E1)、17β-雌二醇(E2)、17α-乙炔基雌二醇(EE2)或雌三醇(E3)。
发明内容
本发明具有如下优点：
1.与单独的光源照射进行光解相比，本发明加入碱性物质，光照后会产生更多的羟基自由基，使降解效率大幅提高。图1是按照本发明的方法对双酚A(BPA)的光降解与单独光源照射双酚A(BPA)光降解的对比，通过对比图1中曲线a和b可看出，20W紫外灯条件下，加碱性物质(NaOH)调节pH后，环境内分泌干扰物BPA的降解效果有明显提高。
2.光源选择广泛。图2是按照本发明的方法，在不同光源下双酚A(BPA)的光降解情况，从图中可见，本发明的方法对于光源的选择性有很宽的范围，无论是紫外光源(图2b)还是可见光源(图2a)照射，都能获得很高的污染物降解率。即该方法不但可以在低强度的紫外光源下适用，在可见光源下也同样适用。
3.本发明所用的碱性物质(NaOH、KOH、Ca(OH)2)价格低，无需添加其他光催化剂。反应过程中温度不限，常温常压下即可。处理过程简单易行，无需固液分离，光降解效率高,应用前景好。
4.环境友好。与文献报道的BPA在硝酸根溶液中光解相比，本发明不引入和产生任何具有生物毒性物质，仅仅通过光源联合碱性物质就可以实现对环境内分泌干扰物的光解。本发明所述的利用紫外或可见光源结合碱性物质(NaOH、KOH、Ca(OH)2或它们的混合物)降解环境内分泌干扰物的方法中，可将反应后的溶液用HCl中和至中性，在降解过程中，除了人体中大量存在的阳离子Ca2+、K+、Na+以及阴离子Cl-之外，不引入任何有毒有害物质，不会对环境造成二次污染，是一种较为理想的降解环境内分泌干扰物的方法。
5.适用污染物范围广，可同时降解共存于水中的所有含酚羟基的内分泌干扰物，主要包括酚类和类固醇类内分泌干扰物。酚类内分泌干扰物是烷基酚、硝基酚、氯酚或双酚A(BPA)。类固醇类内分泌干扰物是雌酮(E1)、17β-雌二醇(E2)、17α-乙炔基雌二醇(EE2)或雌三醇(E3)。
附图说明
图1是按照本发明的方法对双酚A（BPA）的光解与单独光源照射BPA降
解的对比。
曲线a 是在中性条件下，20W 紫外灯照射下10mg/L BPA的光降解。
曲线b 是在加NaOH调节pH=13.00（OH-浓度为0.1mol/L）的条件下，20W 紫外灯照射下10mg/L BPA的光降解。 
纵坐标为污染物的剩余分数（Ct/C0），横坐标为降解时间（h）。
图2为按照本发明的方法，在不同光源照射下双酚A(BPA)的光降解。
曲线a是10mg/L的BPA溶液在OH-浓度为0.1mol/L时，可见光源(500W氙灯)照射下的光降解。
曲线b是10mg/L的BPA溶液在OH-浓度为0.1mol/L时，紫外光源(20W紫外灯)照射下的光降解。
纵坐标为污染物的剩余分数（Ct/C0），横坐标为降解时间（h）。 
具体实施方式
实施例1
向配制好的10mg/L的双酚A(BPA)溶液中，加入NaOH，使NaOH 的浓度为0.1mol/L, 搅拌均匀，暗反应30min后，在可见光源(500W氙灯)照射下，进行光降解，在光照7h后检测BPA含量，降解率达到85% (见图2-a)，加HCl中和至中性。
 实施例2
向配制好的10mg/L的双酚A(BPA)溶液中，加入NaOH，使NaOH的浓度为0.1mol/L, 搅拌均匀，暗反应30min后，在紫外光源(20W紫外灯)照射下，进行光降解，在光照2h后检测BPA含量，降解率达到100%(见图2-b)，加HCl中和至中性。
 实施例3
向配制好的10mg/L的双酚A(BPA)溶液中，加入NaOH和KOH的混合物，使OH-总浓度为0.1mol/L, 搅拌均匀，暗反应30min后，在紫外光源(20W紫外灯)照射下，进行光降解，在光照2h后检测BPA含量，降解率达到100%，加HCl中和至中性。
 实施例4
向配制好的20mg/L的双酚A(BPA)和5mg/L的雌酮(E1)混合溶液中，加入NaOH和Ca(OH)2的混合物，使OH-的总浓度为为0.1mol/L, 搅拌均匀，暗反应30min后，在紫外光源(100W汞灯)照射下，进行光降解，在光照1h后检测BPA和E1的含量，BPA降解率达到100%，E1降解率达到90%，加HCl中和至中性。
实施例5
向配制好的10mg/L的双酚A(BPA)和5mg/L的壬基酚(NP)混合溶液中，加入NaOH和KOH的混合物，使OH-的总浓度为0.05mol/L, 搅拌均匀，暗反应30min后，在紫外光源(500W汞灯)照射下，进行光降解，在光照0.5h后检测BPA和NP的含量，BPA降解率达到100%, NP降解率达到92%，加HCl中和至中性。
实施例6
向配制好的30mg/L的双酚A(BPA)和10mg/L的五氯酚混合溶液中，加入Ca(OH)2和KOH的混合物,使OH-的总浓度为0.05mol/L, 搅拌均匀，暗反应30min后，在紫外光源(20W紫外灯）照射下，进行光降解，在光照2h后检测BPA和五氯酚的含量，BPA的降解率达到89%，五氯酚降解率达到87%，加HCl中和至中性。
实施例7
向配制好的10mg/L的双酚A(BPA)溶液和5mg/L雌二醇(E2)混合溶液中，加入NaOH，使NaOH的浓度为0.05mol/L, 搅拌均匀，暗反应30min后，在可见光源(500W氙灯)照射下，进行光降解，在光照7h后检测BPA和E2的含量，BPA降解率达到85%，E2降解率达到78%，加HCl中和至中性。
实施例8
向配制好的10mg/L的双酚A(BPA)和5mg/L的雌三醇(E3)混合溶液中，加入NaOH、KOH和Ca(OH)2的混合物，使OH-的总浓度为0.05mol/L, 搅拌均匀，暗反应30min后，在可见光源(250W氙灯)照射下，进行光降解，在光照7h后检测BPA和E3的含量，BPA降解率达到80%，E3的降解率达到79%，加HCl中和至中性。
实施例9
向配制好的30mg/L的双酚A(BPA)和10mg/L的4-硝基苯酚的混合溶液中，加入NaOH，保持NaOH的量为0.05mol/L, 搅拌均匀，暗反应30min后，在可见光源(250W金卤灯)照射下，进行光降解，在光照7h后检测BPA和4-硝基苯酚的含量，BPA降解率达到82%，4-硝基苯酚的降解率达到89%，加HCl中和至中性。
实施例10
向配制好的10mg/L的双酚A(BPA)溶液中，加入NaOH、KOH、Ca(OH)2的混合物，使OH-的总浓度为0.1mol/L, 搅拌均匀，暗反应30min后，在可见光源(250W金卤灯)照射下，进行光降解，在光照7h后检测BPA含量，降解率达到81%，，加HCl中和至中性。
实施例11
向配制好的5mg/L的雌酮(E1)和5mg/L雌三醇(E3)的混合溶液中，加入KOH和Ca(OH)2的混合物，使OH-的总浓度为0.05mol/L, 搅拌均匀，暗反应30min后，在紫外光源(100W汞灯)照射下，进行光降解，光照2h后检测E1和E3的含量，E1降解率达到90%，E3降解率达到88%，加HCl中和至中性。
实施例12
向配制好的10mg/L的雌酮(E1)和10mg/L的壬基酚(NP)混合溶液中，加入NaOH和Ca(OH)2的混合物，使OH-的总浓度为0.05mol/L, 搅拌均匀，暗反应30min后，在紫外光源(20W紫外灯)照射下，进行光降解，在光照3h后检测E1和NP的含量，E1降解率达到79%，NP降解率达到83%，加HCl中和至中性。
实施例13
向配制好的5mg/L的雌酮(E1)、5mg/L雌二醇(E2)和5mg/L雌三醇(E3)的混合溶液中，加入KOH和NaOH的混合物，使OH-的总浓度为0.05mol/L, 搅拌均匀，暗反应30min后，在可见光源(250W)氙灯照射下，进行光降解，在光照7h后检测E1、E2和E3的含量，E1降解率达到77% ，E2降解率达到85% ，E3降解率达到83% ，加HCl中和至中性。
实施例14
向配制好的10mg/L的雌酮(E1)和10mg/L的五氯酚混合溶液中，加入NaOH、KOH和Ca(OH)2，使OH-的总浓度为0.05mol/L, 搅拌均匀，暗反应30min后，在可见光源(500W氙灯)照射下，进行光降解，在光照7h后检测E1和五氯酚的含量，E1降解率达到81%，五氯酚降解率达到88%，加HCl中和至中性。
实施例15
向配制好的5mg/L的雌二醇(E2)溶液中，加NaOH和KOH的混合物，使OH-的总浓度为0.05mol/L, 搅拌均匀，暗反应30min后，在紫外光源(100W汞灯)照射下，进行光降解，在光照3h后检测E2含量，降解率达到91%，加HCl中和至中性。
实施例16
向配制好的10mg/L的雌二醇(E2)和10mg/L的4-硝基苯酚混合溶液中，加入NaOH，使NaOH 的浓度为0.05mol/L, 搅拌均匀，暗反应30min后，在紫外光源(20W紫外灯)照射下，进行光降解，在光照3h后检测E2和4-硝基苯酚的含量，E2降解率达到79%，4-硝基苯酚的降解率达到81%，加HCl中和至中性。
实施例17
向配制好的20mg/L的雌二醇(E2)和10mg/L的雌三醇(E3)混合溶液中，加入KOH, 使KOH 的浓度为0.05mol/L, 搅拌均匀，暗反应30min后，在可见光源(500W金卤灯)照射下，进行光降解，在光照7h后检测E2和E3的含量，E2降解率达到78%，E3的降解率达到80%，加HCl中和至中性。
实施例18
向配制好的20mg/L的雌二醇(E2)溶液中，加入Ca(OH)2，使Ca(OH)2的浓度为0.05mol/L, 搅拌均匀，暗反应30min后，在可见光源(500W氙灯)照射下，进行光降解，在光照7h后，加HCl中和至中性，检测E2含量，降解率达到83% 。
实施例19
向配制好的5mg/L的双酚A(BPA)和5mg/L的17α-乙炔基雌二醇(EE2)混合溶液中，加入KOH、NaOH、和Ca(OH)2的混合物，使OH-的总浓度为0.05mol/L, 搅拌均匀，暗反应30min后，在紫外光源(100W汞灯)照射下，进行光降解，在光照3h后检测BPA 和EE2含量，BPA降解率达到100%，EE2降解率达到90%，加HCl中和至中性。
实施例20
向配制好的10mg/L的17α-乙炔基雌二醇(EE2)和5mg/L的五氯酚混合溶液中，加入NaOH，使NaOH的浓度为0.05mol/L, 搅拌均匀，暗反应30min后，在紫外光源(20W紫外灯)照射下，进行光降解，在光照3h后检测EE2和五氯酚的含量，EE2降解率达到100%，五氯酚降解率达到79%，加HCl中和至中性。
实施例 21
向配制好的15mg/L的17α-乙炔基雌二醇(EE2)溶液中，加入KOH、NaOH和Ca(OH)2的混合物，使OH-的总浓度为0.05mol/L, 搅拌均匀，暗反应30min后，在可见光源(250W氙灯)照射下，进行光降解，在光照8h后检测EE2含量，降解率达到77%，加HCl中和至中性。
实施例22
向配制好的20mg/L的17α-乙炔基雌二醇(EE2)溶液中，加入Ca(OH)2，使Ca(OH)2的浓度为0.05mol/L, 搅拌均匀，暗反应30min后，在可见光源(500W氙灯)照射下，进行光降解，光照6h后检测EE2含量，降解率达到81%，加HCl中和至中性。
实施例23
向配制好的5mg/L的壬基酚(NP)和5mg/L的雌三醇(E3)的混合溶液中，加入KOH、NaOH的混合物，使OH-的总浓度为0.05mol/L, 搅拌均匀，暗反应30min后，在紫外光源(100W汞灯)照射下，进行光降解，在光照3h后检测NP和E3的含量，NP降解率达到90%，E3降解率达到92%，加HCl中和至中性。
实施例24
向配制好的10mg/L的壬基酚(NP)溶液中，加入NaOH，使NaOH 的浓度为0.05mol/L, 搅拌均匀，暗反应30min后，在紫外光源(20W紫外灯)照射下，进行光降解，在光照3h后检测NP含量，降解率达到80%，加HCl中和至中性 。
实施例25
向配制好的15mg/L的壬基酚(NP)溶液中，加入KOH，保持KOH 的量为0.05mol/L, 搅拌均匀，暗反应30min后，在可见光源(250W氙灯)照射下，进行光降解，在光照8h后检测NP含量，降解率达到76%，加HCl中和至中性。
实施例26
向配制好的20mg/L的壬基酚(NP)和15mg/L的4-硝基苯酚的混合溶液中，加入KOH和Ca(OH)2的混合物，使OH-的总浓度为0.05mol/L, 搅拌均匀，暗反应30min后，在可见光源(500W氙灯)照射下，进行光降解，在光照6h后检测NP和4-硝基苯酚的含量，NP降解率达到84%，4-硝基苯酚的降解率达到80%，加HCl中和至中性。

Claims (4)

1.一种紫外或可见光源联合碱性物质去除水体中EDCs的方法，包括以下步骤：
(1)向含有内分泌干扰物的溶液中加入适量的碱性物质，搅拌均匀；
(2)暗反应30min后，采用紫外或可见光源辅以照射；
(3)检测水体中内分泌干扰物的含量，向反应后的溶液中加酸中和至中性。
2.根据权利要求1中所述的紫外或可见光源联合碱性物质去除水体中EDCs的方法，其特征在于，内分泌干扰物是含酚羟基的酚类、类固醇类内分泌干扰物或它们的混合物，酚类内分泌干扰物是烷基酚、硝基酚、氯酚或双酚A(BPA)，类固醇类内分泌干扰物是雌酮(E1)、17β-雌二醇(E2)、17α-乙炔基雌二醇(EE2)或雌三醇(E3)。
3.根据权利要求1中所述的紫外或可见光源联合碱性物质去除水体中EDCs的方法，其特征在于，紫外或可见光源是20W紫外灯、100W汞灯、500W汞灯、250W氙灯、500W氙灯、250W金卤灯或500W金卤灯。
4.根据权利要求1中所述的紫外或可见光源联合碱性物质去除水体中EDCs的方法，其特征在于，碱性物质是NaOH、KOH、Ca(OH)2或它们的混合物，碱性物质的总浓度为0.00001-1mol/L。
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