CN110407308A - 一种纳米零价铁协同热活化过硫酸盐降解氯霉素的方法 - Google Patents

一种纳米零价铁协同热活化过硫酸盐降解氯霉素的方法 Download PDF

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李洪
张祖麟
吴丽
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Abstract

本发明提供一种纳米零价铁协同热活化过硫酸盐降解氯霉素的方法。其采用纳米零价铁和过硫酸盐，在pH控制在3‑7之间，60‑80℃加热条件下，进行氯霉素的催化降解，其中：纳米零价铁：氯霉素：过硫酸钠之间的摩尔比控制在(60‑150)：1：(67‑200)之间。最终，通过采用本发明提出的高级氧化方法，可实现氯霉素的快速高效深度降解，降解率达85％以上，且降解时间短，零价铁使用量低降低成本，能够减轻氯霉素对环境造成的污染，实现对水环境的保护，具有广泛的应用前景。

Description

一种纳米零价铁协同热活化过硫酸盐降解氯霉素的方法
技术领域
本发明属于环境工程水处理技术领域，具体涉及一种纳米零价铁协同热活化过硫酸盐降解氯霉素的方法。
背景技术
自抗生素发现以来，因其功效显著，被人们广泛应用于治疗人和动物的细菌性疾病，然而抗生素近年来因其对人类健康和水生生态系统的不利影响而引起越来越多的关注。氯霉素是一种频繁应用于治疗细菌感染的抗生素，由于传统水处理工艺对其处理效率差，环境中的地表水、地下水，甚至在不同的水产养殖环境中经常被检测到。氯霉素在水环境中虽然通常以微量的浓度被检测出，但因为它可能导致生物毒性和耐抗生素抗性细菌产生，会对生态系统和人类健康构成严重威胁。
氯霉素因其性质极其稳定，在自然条件中很难降解。目前水体中氯霉素的去除主要有物化法、化学法和生化法，并取得一定的成效，然而以上方法都存在不足之处，或去除效果不佳、或操作不便，或对氯霉素适应性不强等。因此寻找一种高效的去除此类污染物的方法是必要的。
过硫酸盐分子中含有氧基(-o-o-),是一类较强的氧化剂。在水中电离产生过硫酸根离子S2O8 2-,其标准氧化还原电位E0达2.01V,接近于臭氧(E0＝2.07V),大于高锰酸(E0＝1.68V,)和过氧化氢(E0＝1.70V)，活化后产生SO4 -·(E0＝2.5V–3.1V)。目前，过硫酸盐活化迅速成为原位化学修复的热点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种纳米零价铁协同热活化过硫酸盐降解氯霉素的方法，该体系可实现对氯霉素的快速高效降解。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
提供纳米零价铁协同热活化过硫酸盐降解氯霉素的方法，采用纳米零价铁和过硫酸盐，在pH控制在3-7之间，60-80℃加热条件下，进行氯霉素的催化降解，其中：纳米零价铁：氯霉素：过硫酸钠之间的摩尔比控制在(60-150)：1：(67-200)之间。
按上述方案，所述的过硫酸盐可以为过硫酸钠、过硫酸钾或过硫酸铵中的一种，优先为过硫酸钠。
按上述方案，所述的纳米零价铁粒径为40-60nm。
按上述方案，降解处理的方式包括静置、搅拌、震荡中的其中一种。优选方式是搅拌。
优先地，搅拌的速率控制在100-200rpm之间。
按上述方案，上述降解体系为氯霉素水体。
按上述方案，所述的pH为3-5。
按上述方案，氯霉素水体中氯霉素的浓度为＜10mg/L。
按上述方案，降解的处理时间为10-30min min，一般20min内即可。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供的纳米零价铁协同热活化过硫酸盐体系，在pH3-7的酸中性条件下，通过零价铁和热活化的协助，和加热温度的调控，可以使零价铁活化和热活化效果达到更佳，也可实现二价铁离子的缓慢释放，避免二价铁离子对过硫酸根的消耗而影响降解效果的问题，最终，通过采用本发明提出的高级氧化方法，可实现氯霉素的快速高效深度降解，降解率达85％以上，且降解时间短，零价铁使用量低，降低成本，能够高效的减轻氯霉素对环境造成的污染，实现对水环境的保护，具有广泛的应用前景。
附图说明
为了简洁明了地说明本发明具体实施方式，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单介绍。
图1为本发明实例一Fe0+热活化过硫酸盐条件下氯霉素降解率图线。
图2为本发明比较案例一单独PS和单独Fe0处理废水氯霉素降解率图线。
图3为本发明比较案例二单独热和单独Fe0激活过硫酸盐处理废水氯霉素降解率图线。
具体实施方式
下面将结合实例对本发明的实施方案进行详细描述。下列实施案例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。所有试剂或仪器未注明生产厂商，均为可以通过正常渠道购买获得的常规产品。
实例一
1)纳米零价铁源的选择
本实例选择粒径为50nm的纳米零价铁。
2)过硫酸盐的选择
本实例选择的过硫酸盐为过硫酸钠
3)具体降解过程按照如下步骤实施
将纳米零价铁协同热活化过硫酸盐体系加入含4mg/L氯霉素的废水(配置氯霉素标准溶液，模拟氯霉素废水)中使Fe0：氯霉素：过硫酸钠之间的摩尔比控制在120：1：133之间,调节pH值为3，总体积为100ml，在60℃，150rpm条件下机械臂搅拌处理20min。
样品经过预处理后用LC-MS/MS测定体系中氯霉素的浓度，从而计算得到氯霉素降解率，结果表明氯霉素降解率为90.62％。
实例二
1)纳米零价铁源的选择
本实例选择粒径为50nm的纳米零价铁。
2)过硫酸盐的选择
本实例选择的过硫酸盐为过硫酸钠
3)具体降解过程按照如下步骤实施
将纳米零价铁协同热活化过硫酸盐体系加入含2mg/L氯霉素的废水(配置氯霉素标准溶液，模拟氯霉素废水)中使Fe0：氯霉素：过硫酸钠之间的摩尔比控制在89：1：167之间，调节pH值分别为5，总体积为100ml，温度调节为70℃，160rpm条件下机械臂搅拌处理20min。
样品经过预处理后用LC-MS/MS测定体系中氯霉素的浓度，从而计算得到氯霉素降解率，结果表明氯霉素降解率为90.38％。
实例三
1)纳米零价铁源的选择
本实例选择粒径为50nm的纳米零价铁。
2)过硫酸盐的选择
本实例选择的过硫酸盐为过硫酸钠
3)具体降解过程按照如下步骤实施
将纳米零价铁协同热活化过硫酸盐体系加入含7mg/L氯霉素的废水(配置氯霉素标准溶液，模拟氯霉素废水)中使Fe0：氯霉素：过硫酸钠之间的摩尔比控制在149：1：167之间，调节pH值为5，总体积为100ml，温度调节为70℃，150rpm条件下机械臂搅拌处理20min。
样品经过预处理后用LC-MS/MS测定体系中氯霉素的浓度，从而计算得到氯霉素降解率，结果表明氯霉素降解率为96.25％
实例四
本实例选择粒径为50nm的纳米零价铁。
2)过硫酸盐的选择
本实例选择的过硫酸盐为过硫酸钠
3)具体降解过程按照如下步骤实施
将纳米零价铁协同热活化过硫酸盐体系加入含1mg/L氯霉素的废水(配置氯霉素标准溶液，模拟氯霉素废水)中使Fe0：氯霉素：过硫酸钠之间的摩尔比控制在125：1：140之间，调节pH值为7，总体积为100ml，温度调节为80℃，150rpm条件下机械臂搅拌处理20min。
样品经过预处理后用LC-MS/MS测定体系中氯霉素的浓度，从而计算得到氯霉素降解率，结果表明氯霉素降解率为93.07％。
联合效果分析：
协同因子反应动力学用准一级动力学反应式(Eq.1).
协同因子的计算公式为Eq.2，
ln(Ct/C0)＝-kobst (Eq.1)
Synergy index＝k(nZVI+heat+PS)/(k(nZVI+PS)+k(heat+PS)) (Eq.2)
(k值为动力学常数，k(nZVI(纳米零价铁)+heat(热)+PS)表示纳米零价铁与热协同活化过硫酸盐的动力学常数，k(nZVI+PS)与k(heat+PS)为单独活化过硫酸盐的动力学常数)。
协同因子SI<1表示协同处理效率低于二者叠加，SI＝1表示等于二者叠加，SI>1表示二者协同效率高于二者叠加，协同效率高。
目前相关的反应动力学用准一级动力学反应式(Eq.1)拟合效果良好，实例中各反应的动力学常数皆可通过计算得出，由Eq.2协同因子的计算公式得出实例一的SI＝1.56、实例二SI＝1.48、实例三SI＝1.35、实例四SI＝1.32。结果表明本发明纳米零价铁协同热活化系统具有优异的的性能。
对比实例一
(1)在含4mg/L氯霉素的废水(配置氯霉素标准溶液，模拟氯霉素废水)中只加入过硫酸钠，不加入纳米零价铁，使氯霉素：过硫酸钠之间的摩尔比控制在1：133之间，pH调节为3，总体积为100ml,在150rpm,常温条件下机械臂搅拌处理20min；
(2)在含4mg/L氯霉素的废水中只加入纳米零价铁，不加入过硫酸钠，使Fe0：氯霉素之间的摩尔比控制在120：1之间,pH调节为3，总体积为100ml,在150rpm,常温条件下机械臂搅拌处理20min。
样品经过预处理后用LC-MS/MS测定体系中氯霉素的浓度，从而计算得到氯霉素降解率，结果表明(1)中降解率12.1％，(2)中降解率14.6％。
对比实例二
(1)在含4mg/L氯霉素的废水(配置氯霉素标准溶液，模拟氯霉素废水)中只加入过硫酸钠，不加入纳米零价铁，使氯霉素：过硫酸钠之间的摩尔比控制在1：133之间，调节pH值为3，总体积为100ml,在60℃，150rpm条件下机械臂搅拌处理20min；
(2)将纳米零价铁协同热活化过硫酸盐体系加入含4mg/L氯霉素的废水(配置氯霉素标准溶液，模拟氯霉素废水)中使Fe0：氯霉素：过硫酸钠之间的摩尔比控制在120：1：133之间，调节pH值为3，总体积为100ml,在常温下，150rpm条件下机械臂搅拌处理20min。
样品经过预处理后用LC-MS/MS测定体系中氯霉素的浓度，从而计算得到氯霉素降解率，结果表明(1)中降解率52.8％，(2)中降解率25.6％。
对比实例三
Fe0：氯霉素：过硫酸钠之间的摩尔比控制在148：1：100，调节pH值为5，总体积为100ml，温度调节为50℃，降解率为73.46％。
对比实例三
Fe0：氯霉素：过硫酸钠之间的摩尔比控制在89：1：167，调节pH值为5，总体积为100ml，温度调节为50℃，降解率为69.16％。

Claims (8)

1.纳米零价铁协同热活化过硫酸盐降解氯霉素的方法，其特征在于：采用纳米零价铁和过硫酸盐，在pH控制在3-7之间，60-80℃加热条件下，进行氯霉素的催化降解，其中：纳米零价铁：氯霉素：过硫酸钠之间的摩尔比控制在(60-150)：1：(67-200)之间。
2.根据权利要求1所述的纳米零价铁协同热活化过硫酸盐降解氯霉素的方法，其特征在于：所述的过硫酸盐可以为过硫酸钠、过硫酸钾或过硫酸铵中的一种。
3.根据权利要求1所述的纳米零价铁协同热活化过硫酸盐降解氯霉素的方法，其特征在于：所述的纳米零价铁粒径为40-60nm。
4.根据权利要求1所述的纳米零价铁协同热活化过硫酸盐降解氯霉素的方法，其特征在于：降解处理的方式包括静置、搅拌、震荡中的其中一种。
5.根据权利要求1所述的纳米零价铁协同热活化过硫酸盐降解氯霉素的方法，其特征在于：搅拌的速率控制在100-200rpm之间。
6.根据权利要求1所述的纳米零价铁协同热活化过硫酸盐降解氯霉素的方法，其特征在于：上述降解体系为氯霉素水体，氯霉素水体中氯霉素的浓度为＜10mg/L。
7.根据权利要求1所述的纳米零价铁协同热活化过硫酸盐降解氯霉素的方法，其特征在于：所述的pH为3-5。
8.根据权利要求1所述的纳米零价铁协同热活化过硫酸盐降解氯霉素的方法，其特征在于：降解的处理时间为10-30min。
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