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O3+UV降解耐臭氧微量有機(jī)污染物（OR-MOPs）研究

 

一、摘要 

臭氧(O3)已被廣泛應(yīng)用于水深度處理中，但其無法有效降解耐臭氧微量有機(jī)污染物(OR-MOPs)。針對(duì)OR-MOPs的強(qiáng)化降解，搭建了由臭氧膜接觸器和細(xì)管流光反應(yīng)系統(tǒng)組成的膜接觸O3-紫外(UV)實(shí)驗(yàn)裝置，并對(duì)O3膜接觸器的處理效果進(jìn)行評(píng)估。結(jié)果表明，隨著氣相臭氧質(zhì)量濃度增加、溶液流量和pH的降低，液相臭氧質(zhì)量濃度升高；磷酸鹽對(duì)臭氧溶解沒有影響；測(cè)得細(xì)管流光反應(yīng)系統(tǒng)的UV劑量率為4.56×10−4Einstein·m−2·s−1。當(dāng)液相臭氧質(zhì)量濃度為1.0和2.0mg·L−1時(shí)，膜接觸O3-UV聯(lián)用對(duì)代表性O(shè)R-MOP—布洛芬的去除率分別為63.2%和82.9%，比單獨(dú)臭氧氧化增加了38.1%和44.5%，且臭氧被完全利用。布洛芬的降解效果隨pH升高而提升，當(dāng)液相臭氧質(zhì)量濃度為1.0mg·L−1、pH=9.0時(shí)，布洛芬的整體去除率更高(77.2%)；在布洛芬各主要降解途徑中，羥基自由基(HO·)氧化的貢獻(xiàn)比達(dá)90%以上。膜接觸O3-UV聯(lián)用可強(qiáng)化OR-MOPs的降解并提高臭氧利用率，可為臭氧在水深度處理中的應(yīng)用提供新方法。

 

二、背景

微量有機(jī)污染物(microorganicpollutants,MOPs)，如藥物與個(gè)人護(hù)理品、內(nèi)分泌干擾物等，具有生物累積性、環(huán)境持久性和難降解性，在微量濃度下即會(huì)威脅環(huán)境和人群健康。臭氧(O3)已被廣泛應(yīng)用于水深度處理中[1-2]，可高效降解大多數(shù)MOPs[3-4]，而臭氧與溶液的接觸方式是其應(yīng)用的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的鼓泡反應(yīng)器通過底部的臭氧曝氣使臭氧與水充分混合，具有操作便捷、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，但曝氣頭表面的微孔易堵塞，需經(jīng)常清洗，同時(shí)還會(huì)出現(xiàn)泡沫、液泛等問題。此外，混合塔也被廣泛采用，其將水從高處噴下形成霧狀，O3氣體從塔下方通入，與水流逆行并充分接觸，這種方式有利于臭氧傳質(zhì)，但該設(shè)備成本高，能量損失大。O3膜接觸器是一種新型O3/溶液接觸裝置。其基于帶微孔的中空纖維膜管，通過“外液內(nèi)氣”方式，使得臭氧在濃度差作用下以無泡方式從氣相擴(kuò)散至液相[5]。相較于傳統(tǒng)臭氧接觸方式，O3膜接觸器具有傳質(zhì)效率高、O3分布均勻、占地面積小、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，可有效避免泡沫、液泛等問題，應(yīng)用前景廣闊[6-7]。同時(shí)，其亦存在膜易被污染、設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題，應(yīng)用中需予以關(guān)注。

O3工藝存在的重要問題是無法降解耐臭氧MOPs(O3resistantMOPs,OR-MOPs)，且出水中殘余O3會(huì)影響后續(xù)工藝。O3的紫外(UV)摩爾吸光系數(shù)高(約3000L·(mol·cm)–1)[8]，在UV輻照下可被快速光解并生成羥基自由基(HO·)，過程見式(1)~式(7)[9−10]。HO·具有強(qiáng)氧化性，可降解絕大多數(shù)MOPs(包括OR-MOPs)。因此，在臭氧氧化后增加UV輻照，可將殘余臭氧轉(zhuǎn)化為HO·，強(qiáng)化OR-MOPs降解，提高臭氧利用率。

目前，有關(guān)膜接觸O3-UV聯(lián)用的研究鮮有報(bào)道，而且用于開展相關(guān)研究的實(shí)驗(yàn)裝置也并不多見。細(xì)管流光反應(yīng)系統(tǒng)是新型的UV裝置。它具有劑量測(cè)定準(zhǔn)確、樣品量少、劑量率均一等優(yōu)點(diǎn)[11]。該裝置過流式的運(yùn)行模式方便與臭氧膜接觸器進(jìn)行連接，以開展膜接觸O3-UV聯(lián)用的相關(guān)研究。

本研究搭建了臭氧膜接觸器與細(xì)管流光反應(yīng)系統(tǒng)相結(jié)合的膜接觸O3-UV實(shí)驗(yàn)裝置，以探究O3膜接觸器中各因素對(duì)液相臭氧濃度的影響，并準(zhǔn)確測(cè)定細(xì)管流光反應(yīng)系統(tǒng)輸出的輻照劑量；之后，以一種耐臭氧氧化且廣泛應(yīng)用于臨床治療的非甾體抗炎藥—布洛芬為代表性O(shè)R-MOP[12-13]，用以考察膜接觸O3-UV聯(lián)用對(duì)水中OR-MOPs的強(qiáng)化降解效果。通過分析臭氧利用率、pH對(duì)聯(lián)用工藝降解MOPs的影響及各降解途徑的貢獻(xiàn)比，以期為工藝應(yīng)用與優(yōu)化提供參考。

 

三、討論

3.1不同因素對(duì)臭氧膜接觸器中臭氧溶解的影響

3.2細(xì)管流光反應(yīng)系統(tǒng)的劑量測(cè)定

3.3布洛芬的直接UV光解

3.4膜接觸O3-UV聯(lián)用強(qiáng)化降解布洛芬

3.5膜接觸O3-UV聯(lián)用降解布洛芬的機(jī)制分析

 

四、結(jié)論

1)通過對(duì)臭氧膜接觸器進(jìn)行評(píng)估發(fā)現(xiàn)，隨著氣相臭氧質(zhì)量濃度增加、溶液流量和pH的降低，液相臭氧質(zhì)量濃度升高，而磷酸鹽對(duì)臭氧溶解沒有影響。通過化學(xué)感光劑標(biāo)定細(xì)管流光反應(yīng)系統(tǒng)的Ep,UV=4.56×10−4Einstein·m−2·s−1。

2)膜接觸O3-UV聯(lián)用降解布洛芬可分為臭氧氧化和O3/UV高級(jí)氧化2個(gè)階段，O3/UV高級(jí)氧化由于HO·的生成，布洛芬去除效果和臭氧利用率較臭氧氧化階段明顯提升。此外，膜接觸O3-UV聯(lián)用對(duì)布洛芬的降解效果隨pH升高而提升。這表明，OR-MOPs在產(chǎn)生HO·更多的堿性條件下更易被降解。

3)膜接觸O3-UV聯(lián)用的主要降解途徑包括臭氧氧化階段的臭氧分子氧化、HO·氧化以及O3/UV高級(jí)氧化階段的HO·氧化和直接UV光解，HO·氧化的貢獻(xiàn)比可達(dá)90%以上。

 

來源：王穎,李夢(mèng)凱,孫喆,等.膜接觸臭氧-紫外聯(lián)用強(qiáng)化降解耐臭氧微量有機(jī)污染物[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào)