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超声强化零价铁活化过硫酸盐降解地下水中二恶烷
刘娜, 丁吉阳, 于庆民, 张思达, 赵宏君, 吕春欣     
地下水资源与环境教育部重点实验室(吉林大学)/吉林大学新能源与环境学院, 长春 130021
摘要: 本文采用超声强化零价铁活化过硫酸盐氧化降解地下水中的二恶烷污染物。主要探讨了零价铁添加量、超声强化、不同过硫酸盐用量及地下水中不同碳酸根浓度等对二恶烷降解效果的影响,并对零价铁进行了表征分析。结果表明:超声能够促进硫酸根自由基和Fe2+的产生,提高二恶烷的降解率;零价铁添加量和过硫酸盐浓度的增加均能促进二恶烷的降解,但零价铁相对过硫酸盐过多时将降低最终降解率;地下水中的碳酸根会消耗硫酸根自由基,因此碳酸根浓度越高,二恶烷降解率越低。超声强化零价铁活化过硫酸盐氧化法能够有效降解二恶烷,并具有应用于处理地下水中二恶烷的潜力。
关键词: 零价铁    过硫酸盐    二恶烷    超声    地下水    
Degradation of 1, 4-Dioxane in Groundwater by Ultrasound Enhanced ZVI-Activated Persulfate Oxidation Process
Liu Na, Ding Jiyang, Yu Qingmin, Zhang Sida, Zhao Hongjun, Lü Chunxin     
Key Laboratory of Groundwater Resources and Environment(Jilin University), Ministry of Education/College of New Energy and Environment, Jilin University, Changchun 130021, China
Supported by National Natural Science Foundation of China(41572217)
Abstract: Ultrasound enhanced zero-valent iron (ZVI) activated persulfate process to degrade 1, 4-dioxane in groundwater was studied, and the effects of ultrasound, ZVI dosage, concentration of persulfate and carbonate ions were also investigated. ZVI was characterized by X-ray photo electron spectroscopy (XPS) and scanning electron microscope (SEM). The results show that ultrasound can accelerate the generation of sulfate radicals and Fe2+, and enhance the degradation of 1, 4-dioxane. The degradation efficiency can be increased through increasing ZVI dosage and persulfate concentration; however, the final degradation efficiency of 1, 4-dioxane decreases when Fe0 dosage is much more than persulfate. The presence of carbonate ions in groundwater reduces the concentration of sulfate radicals, thus the efficiency of 1, 4-dioxane degradation decreases with the increase of carbonate concentration. In conclusion, ultrasound enhanced ZVI-activated persulfate process can effectively degrade 1, 4-dioxane, is a promising method in the treatment of 1, 4-dioxane in groundwater.
Key words: zero-valent iron    persulfate    1, 4-dioxane    ultrasound    groundwater    

0 引言

二恶烷(1, 4-dioxane)被广泛用作氯代溶剂如1, 1, 1-三氯乙烷、三氯乙烯等的稳定剂及树脂、植物油、矿物油和蜡等的溶剂[1]。其被国际癌症组织认定为2B级致癌物[2],世界卫生组织建议水体控制标准为50 μg/L。由于二恶烷水溶性强,加之传统检测方法的限制,上个世纪其地下水污染的问题并未受到广泛关注。随着2005年、2006年其检测方法的建立与完善,美国等发达国家在水源水、工业废水、溪水及地下水中大量检出二恶烷污染物,据美国超级基金统计,20%以上的氯代溶剂污染地下水中会检测到二恶烷存在[1, 3]。因此,近年来二恶烷被定为新型污染物质,其在环境中的行为、修复技术等得到环境污染治理领域的广泛关注。

二恶烷因其具有结构稳定,与水混溶及挥发性、吸附性能差等特点[1],在地下水中迁移速度快,较易造成大面积的污染[4],吸附、空气吹脱、化学还原等修复技术并不能有效将其去除[5-6],微生物也难以直接降解二恶烷,通常要加入共代谢基质将其降解[7]。高级氧化工艺是一种广泛应用于污水处理及场地修复的成熟技术,其处理速度较快,可有效将有机污染物氧化降解。目前已有利用电氧化、臭氧及光降解等方法处理二恶烷的报道[8-10]

芬顿法以Fe2+活化H2O2产生羟基自由基(·OH)(氧化还原电位E0=2.80 V),·OH非常活泼,能够氧化降解目标污染物。然而在实际应用中,芬顿法会受H2O2消耗过快和pH变化等因素的限制[11]。过硫酸盐(PS,S2O42-)(E0=2.01 V)具有室温下溶解度高和稳定性强等特点[12],在加热、紫外光或过渡金属离子等条件的活化作用下,产生硫酸根自由基(SO4·-E0=2.6 V),SO4·-较·OH具有更强的氧化性和非选择性,可有效降解染料、抗生素和化工原料与产物等污染物[13-15]

有研究[16-17]表明,Fe2+是PS生成SO4·-的有效活化剂,Fe2+/PS体系可达到快速降解目标有机污染物的目的,零价铁(ZVI,Fe0)催化PS去除污染物的过程被认为是一种非均质反应,与Fe2+等过渡金属的均质反应相比,具有低价、pH适用广泛及具可回收性能等优点。PS与ZVI反应产生Fe2+,进而Fe2+活化PS生成SO4·-,反应式为:

(1)
(2)

除反应式(1)外,ZVI在水中可分别与氧气、水以及Fe3+反应生成Fe2+,反应式为:

(3)
(4)
(5)

ZVI/PS体系可有效氧化降解有机污染物包括一些难降解有机污染物,如2, 4-二硝基甲苯和对氯苯胺等[18-20];另外,ZVI在反应过程中可消耗溶液中Fe3+,同Fe2+催化体系相比较,可在一定程度上减少氢氧化铁沉淀的产生,进而减少材料的消耗。

除此之外,Weng等[21]和Du等[22]研究表明,在ZVI/PS体系中引入超声,可促进硫酸根自由基的产生,强化化工废水和染料的降解效果。由于二恶烷属于难降解有机污染物,因此本研究拟采用超声强化ZVI活化PS体系进行二恶烷污染地下水处理的实验研究,在对比超声强化作用的基础上,考察ZVI质量浓度、PS浓度以及碳酸根浓度等参数对二恶烷降解效果的影响,并对ZVI处理前后表面铁氧化合物组成进行对比分析,探索处理机理,以期为二恶烷污染地下水的高级氧化处理提供参考。

1 实验方法及材料 1.1 材料及药品

二恶烷(1, 4-dioxane), ACS级(美国化学学会标准),购自百灵威公司;二氯甲烷(CH2Cl2)为色谱纯试剂,购自TEDIA公司;过硫酸钠(Na2S2O4)为分析纯试剂,购自天津光复精细化工研究所;ZVI聚集体粒径为0.297~2.380 mm,密度为2 240~2 560 kg/m3,购自美国Connelly-GPM公司;分析Fe2+质量浓度所用药剂购自美国哈希公司。地下水采自长春市,其碳酸根浓度为1.32 mmol/L,pH为7.16。

1.2 实验方法

实验反应装置由超声仪、超声处理室、磁力搅拌器组成。在超声强化条件下,利用ZVI活化PS生成SO4·-降解二恶烷。实验中超声波恒定频率40 kHz,超声功率为100 W,并设置为脉冲超声模式,每间隔10 s超声5 s。二恶烷初始质量浓度为100 mg/L,PS浓度为5 mmo/L,ZVI质量浓度为2.0 g/L。按照一定间隔进行取样,样品经0.22 μm过滤器过滤后进行pH值、Fe2+质量浓度和二恶烷质量浓度分析。实验分别考察了不同初始PS浓度(1,5和10 mmol/L)、ZVI质量浓度(0.2,1.0和5.0 g/L)以及碳酸根浓度(1.32,2.00,3.00和5.00 mmol/L)对二恶烷降解效果的影响。

1.3 样品分析

二恶烷样品前处理:取10 mL样品置于50 mL分液漏斗中,准确加入10 mL二氯甲烷,震荡10 min后静置5 min,移取1 mL有机相于气相色谱进样瓶中,待测。二恶烷测试方法:所用设备为气相色谱仪(美国安捷伦6890)分析色谱柱(Agilent 125-7032, DB-WAX, 30 m×530 μm×1 μm),色谱分析条件为进样口温度230 ℃、FID检测器温度250 ℃、载气流量5 mL/min。设置柱温升温程序: 40 ℃保持3 min,以10 ℃/min速度升温至100 ℃保持6 min。

Fe2+质量浓度采用分光光度计(美国哈希DR3900)进行检测,pH值使用便携式pH计(哈希HQ30D)进行测试。采用X射线光电子能谱分析(XPS)(美国Thermo公司,ES-CALAB250)及扫描电子显微镜(SEM-EDS)(日本SHIMADZU公司,SSX-550)对反应前后的ZVI进行表征分析。XPS测试条件为:Al K-α阳极,功率为200 W,全扫描透过能为150 eV,步长0. 5 eV,窄扫描透过能为60 eV,步长0. 05 eV,基础真空为10- 7 Pa。以C1s (284.6 eV)为定标标准进行校正。扫描电子显微镜测试方法为:取ZVI样品放置在载物板上,喷金后放入电子显微镜中进行分析。样品表面元素分析在200倍放大倍率下,选取500 μm×500 μm的面积进行能谱扫描。

2 结果与讨论 2.1 ZVI表征

采用SEM-EDS分析样品处理前后ZVI表面的元素组成,其结果如表 1所示:Fe、O和C是ZVI表面的主要元素,占元素原子分数分别为41.84%、20.24%和36.45%。空气中的O2可将Fe氧化,使O元素以Fe的氧化物形态存在于ZVI表面;C元素则是工业生产Fe中的常见元素[23]。反应前后的对比表明,Fe原子分数下降18.25%,O元素提升22.08%。同时利用XPS对反应前后ZVI表面元素的化学形态进行分析,图谱如图 1所示,Fe元素的光谱由6条拟合曲线组成。其中,反应前(图 1a):Fe3O4对应的Fe3O4 2p3/2和Fe3O4 2p1/2的XPS峰,结合能分别为708.9和723.9 eV;Fe2O3对应Fe2O32p3/2和Fe2O32p1/2的XPS峰,结合能分别为712.8和726.5 eV,且分别在718.6和732.1 eV处具有卫星峰,这与文献[22]一致。对铁氧化物不同形态分析可知,反应前Fe3O4与Fe2O3的质量分数比为34.22%:65.77%,反应后质量分数比变为27.53%:72.46%,Fe3O4的质量分数比有所降低,说明一部分铁氧化物中Fe(Ⅱ)被转化为Fe(Ⅲ)。这主要是因为在酸性环境中ZVI表面铁氧化物中Fe(Ⅱ)被消耗,用于激活PS,同时Fe(Ⅲ)促进了形成Fe(Ⅱ)的铁循环;另外反应过程中产生的Fe(OH)3附着在ZVI表面,脱水后也可形成Fe2O3

表 1 ZVI表面元素组成 Table 1 ZVI surface elements
化学元素 原子分数/% 质量分数/%
反应前 反应后 反应前 反应后
Fe 41.84 23.59 74.05 53.64
O 20.24 42.32 10.26 27.57
C 36.45 31.34 13.87 15.33
S 0.88 2.39 0.78 2.09
其他 0.59 0.36 1.04 1.37
a.反应前,w(Fe3O4):w(Fe2O3)=34.22%:65.77%;b.反应后,w(Fe3O4):w(Fe2O3)=27.53%:72.46%。 图 1 ZVI的XPS图谱 Figure 1 XPS spectra of of iron
2.2 ZVI活化PS降解二恶烷

实验分别设置了ZVI-PS和US-ZVI-PS两个体系进行二恶烷降解效果实验,对US(超声)、PS、ZVI、US-PS、US-ZVI进行空白对照(图 2),同时对ZVI-PS和US-ZVI-PS两个体系反应过程中的pH值和Fe2+质量浓度变化进行了监测(图 3)。结果表明:在仅有US和PS作用下,二恶烷的降解率分别为2.6%和3.8%,而仅有ZVI体系中二恶烷的降解率为11.0%,这主要是由于ZVI可以活化水中溶解氧并形成带有自由基的活性氧降解有机污染物[22-24];在US-ZVI体系中,二恶烷的降解率也为11.0%,说明US未对ZVI系统的氧化降解起到强化作用;在US-PS体系中二恶烷的降解率达到15.0%,降解率稍有提高的原因是在超声作用下,PS能够被超声活化产生SO4·-,如反应式(6),进而降解二恶烷。

(6)
ρ0ρt分别为二恶烷的初始和t时刻的质量浓度(mg/L);t为时间(min)。 图 2 不同体系中二恶烷的降解 Figure 2 Degradation of dioxane in different systems
图 3 超声对中Fe2+质量浓度的影响以及pH的变化 Figure 3 Effect ofultrasound on ferrous concentration and pH

在ZVI-PS和US-ZVI-PS体系中,反应初始二恶烷的质量浓度迅速降低,之后伴随着一个缓慢降低的过程,在反应240 min时降解率分别达到85.0%和93.0%。ZVI-PS体系在60 min时二恶烷降解率为82.0%,而US-ZVI-PS体系在30 min就达到了80.0%。这表明超声对ZVI-PS氧化降解二恶烷起到了强化作用,一方面,通过式(6)途径产生了SO4·-;另一方面,超声可促进Fe2+的生成[25],如式(7)所示,增加了溶液中Fe2+质量浓度,进而加速了二恶烷氧化降解。

(7)

此外,超声对ZVI表面的冲击可提高物相间的传质效率。

图 3可知:在ZVI-PS和US-ZVI-PS体系反应过程中,Fe2+质量浓度在90 min左右达到最大值,并趋于稳定,此时ZVI-PS体系中Fe2+的质量浓度为16.5 mg/L, US-ZVI-PS系统中Fe2+的质量浓度为30.0 mg/L;ZVI-PS系统和US-ZVI-PS系统中pH先由6.5降低至3.0左右,在30 min后上升,至90 min后趋于稳定,这与Fe2+质量浓度趋于稳定的时间一致。随着PS被活化的过程会产生H+,此过程反应式[18]为:

(8)
(9)
(10)
(11)

在反应初期,随着PS的消耗,pH迅速降低,当反应继续进行,在消耗ZVI的同时伴随着OH-的产生,如反应式(3)和(4)所示;因此,在60 min后pH上升,直至90 min Fe2+质量浓度达到稳定。由于在pH高于4.0的环境下,溶液中产生了铁沉淀物Fe(OH)2和Fe(OH)3,抑制了SO4·-的生成[26],因此二恶烷的降解速率降低。

2.3 PS浓度和ZVI添加量的影响

实验考察了在US-ZVI-PS体系中不同PS浓度和ZVI质量浓度对二恶烷降解效果的影响,结果如图 45所示。SO4·-主要通过反应式(2)和(6)两个途径产生,因此高浓度的PS会产生更多的SO4·-,从而提升二恶烷的降解率。图 4中的结果与预期相同,在30 min时,10 mmol/L PS体系二恶烷降解率最高达到96.0%,而1 mmol/L的体系仅为5.0%。

图 4 过硫酸钠初始浓度对降解效率的影响 Figure 4 Effect of initial PS concentration on degradation efficiency
图 5 ZVI初始质量浓度对降解效率的影响 Figure 5 Effect of ZVI Addition on degradation efficiency

不同ZVI投加量对二恶烷处理影响的实验结果如图 5所示。当ZVI质量浓度为0.2 g/L时,二恶烷降解率最高,240 min降解率为99.6%。该体系在90 min前二恶烷降解率不足5%,从90 min开始二恶烷质量浓度迅速下降,最终接近完全降解。添加质量浓度为1.0 g/L和2.0 g/L的ZVI体系分别在80 min和60 min达到80%的降解率,在此后降解速度缓慢,240 min降解率达到90%左右,低于ZVI质量浓度为0.2 g/L体系的降解率。这一现象是由较高的Fe2+质量浓度所导致的。如反应式(12)所示,当Fe2+相对于SO4·-的质量浓度过量时,会产生Fe2+SO4·-竞争性消耗的现象[27]

(12)

因此溶液中SO4·-浓度较低时,ZVI质量浓度为1.0 g/L和2.0 g/L的体系中高质量浓度的Fe2+会消耗SO4·-,降低了二恶烷的降解率。

2.4 碳酸根浓度的影响

CO32-是地下水中水体中常见的阴离子,不同地区、季节的地下水碳酸根浓度不同,其浓度一般不超过10.00 mmol/L,因此本实验设置了1.32, 2.00, 3.00, 5.00 mmol/L几个不同碳酸根浓度,考察其对处理效果的影响。结果如图 6所示,随着CO32-浓度的增加,二恶烷降解效率逐渐降低,4个体系中二恶烷降解率分别为93%,86%,66%,42%。,这主要是因为CO32-的氧化还原电位(1.63 V)低于SO4·-的氧化还原电位,CO32-和HCO3-的存在会消耗SO4·-自由基(如反应式(13)和(14))[28],因此CO32-的浓度越高,污染物的降解效率越低。

(13)
(14)
图 6 不同CO32-浓度对二恶烷降解的影响 Figure 6 Effect of CO32- concentration on degradation efficiency

此外,CO32-和HCO3-还会与铁离子形成络合物或固体沉淀物,降低游离状态Fe2+的质量浓度[29]。因此在较高CO32-浓度的环境中,需要通过调节pH值等方式降低CO32-浓度,以降低对氧化反应的影响。

3 结论

1) 超声一方面促进了Fe2+的产生,另一方面也促进了S2O42-转化为SO4·-,从而提高了氧化降解二恶烷的效果。

2) ZVI质量浓度和PS浓度的提高可以加快二恶烷的降解速率,然而当ZVI相对PS过多时,则会出现Fe2+抑制反应的现象。从降解效率和实现成本的角度考虑,ZVI的最佳质量浓度为1.0 g/L, PS的最佳浓度为10 mmol/L。

3) CO32-的存在会降低二恶烷降解效率,其负面作用主要体现在清除自由基和形成络合物沉淀物。

4) 超声强化ZVI活化PS可有效氧化去除地下水中污染物二恶烷。

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http://dx.doi.org/10.13278/j.cnki.jjuese.20170081
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刘娜, 丁吉阳, 于庆民, 张思达, 赵宏君, 吕春欣
Liu Na, Ding Jiyang, Yu Qingmin, Zhang Sida, Zhao Hongjun, Lü Chunxin
超声强化零价铁活化过硫酸盐降解地下水中二恶烷
Degradation of 1, 4-Dioxane in Groundwater by Ultrasound Enhanced ZVI-Activated Persulfate Oxidation Process
吉林大学学报(地球科学版), 2018, 48(6): 1831-1837
Journal of Jilin University(Earth Science Edition), 2018, 48(6): 1831-1837.
http://dx.doi.org/10.13278/j.cnki.jjuese.20170081

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收稿日期: 2017-06-01

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