零價鐵法去除水體中萘普生：作用機制及產(chǎn)物毒性研究*

林龍利　劉國光　張宇　翟先先　劉璟顥　張能

(1.貴州工程應用技術(shù)學院化學工程學院　貴州畢節(jié) 551700；　2.廣東工業(yè)大學環(huán)境科學與工程學院　廣州 510006；　3.貴州省煤基新材料工程中心　貴州畢節(jié) 551700)

?

污水處理

零價鐵法去除水體中萘普生：作用機制及產(chǎn)物毒性研究*

林龍利1,3劉國光2張宇1,3翟先先1劉璟顥1張能1

(1.貴州工程應用技術(shù)學院化學工程學院貴州畢節(jié) 551700；2.廣東工業(yè)大學環(huán)境科學與工程學院廣州 510006；3.貴州省煤基新材料工程中心貴州畢節(jié) 551700)

摘要為了探索水體中非甾體類藥物處理新技術(shù)，對鐵屑降解水體中萘普生的影響因素、作用機制和產(chǎn)物毒性進行了研究。首先考察了鐵屑投加量、pH值、萘普生初始濃度及作用時間對降解效果的影響，確定了鐵屑投加量為2.5 g/L，pH值為2.0，萘普生質(zhì)量濃度為10.0 mg/L的反應條件有利于零價鐵對萘普生有效降解，反應150 min去除率可達89.2%；然后對零價鐵降解萘普生的反應機制進行研究，結(jié)果表明零價鐵主要是通過腐蝕產(chǎn)物(新生態(tài)氫[H])直接還原作用，促使萘普生轉(zhuǎn)化為其他物質(zhì)；發(fā)光菌毒性實驗表明萘普生轉(zhuǎn)化為較母體具有更高生物風險的中間產(chǎn)物。

關鍵詞鐵屑萘普生發(fā)光菌毒性

0引言

PPCPs(藥品和個人護理用品)對人類健康和生態(tài)環(huán)境安全風險已引起廣泛關注。萘普生(naproxen)是其中一種常見的非甾體類藥物，被服用后，其中一部分以原藥形式排出體外，從而進入地表和地下水體。人類若長期攝入萘普生會誘發(fā)心臟病和中風，還可能對肺部產(chǎn)生毒性效應。萘普生已成為一種潛在的威脅。

利用零價鐵(Fe0)處理水體中的有機污染物已逐漸成為國內(nèi)外學者的研究熱點。Fe0化學性質(zhì)活潑、還原能力強，可以將吸附在其表面的某些氧化性較強的有機污染物還原降解,目前已成功應用于硝基苯、偶氮染料和活性艷橙X-GN等污染物的處理。本文選用工業(yè)鑄鐵廢鐵屑為材料，研究其有效去除水體中的萘普生的影響因素、降解機制以及其產(chǎn)物毒性，研究結(jié)果為Fe0技術(shù)應用于非甾體抗炎藥類污染物的處理提供理論依據(jù)，實現(xiàn)“以廢治廢”的目標。

1實驗部分

1.1主要試劑與儀器

萘普生(NPX),工業(yè)鐵屑; G4203-68708高效液相色譜儀(德國), SHB-Ⅲ循環(huán)水式多用真空泵, 恒溫水浴振蕩器，TG20臺式高速離心機, UPT-Ⅱ-40L型優(yōu)普系列超純水器, PHS-3E酸度計, DHG-9070A電熱恒溫鼓風干燥箱，DX-2700型XRD(丹東方圓儀器有限責任公司)，DXY-2型生物毒性測試儀。

1.2實驗步驟

實驗均在一個250 mL的錐形瓶中進行，將150 mL萘普生溶液和一定量的鐵屑(或鐵粉)加入錐形瓶中，然后將錐形瓶置于轉(zhuǎn)速為100 r/min 的水浴恒溫振蕩器中，調(diào)節(jié)T=26 ℃。在選定的時間間隔用注射器取樣，樣品采用8 000 r/min離心機離心10 min，再用0.22 μm微孔濾膜過濾，采用高效液相分析萘普生殘余濃度。

實驗前鐵屑先用40目的篩子篩選，用磁鐵吸附與雜質(zhì)分離，再用0.1 mol/L的硫酸溶液清洗，再以丙酮洗滌，然后用水沖洗，自然晾干后采用XRD表征(還原鐵粉直接采用XRD表征)，備用。

1.3萘普生溶液的配制及其測定

采用超純水配制含萘普生的模擬廢水，稱取0.005 0 g萘普生于500 mL容量瓶中，定容錫紙包裹避光，50 ℃恒溫振蕩24 h，配成10 mg/L的初始溶液，測定初始pH=5.0。

樣品經(jīng)0.22 μm的濾膜過濾后，采用高效液相分析萘普生的濃度，圖1為萘普生與溶劑(超純水)液相分離色譜圖。色譜條件：柱子類型：150 mm×4.6 mm×5 μm C18柱；檢測器：紫外檢測器(波長254 nm),進樣量20 μL；流動相：0.01 mol/L磷酸二氫鉀(經(jīng)磷酸調(diào)節(jié)pH=3)∶甲醇=1∶3；流速1 mL/min；柱溫25 ℃。

圖1　萘普生和溶劑(水)液相分離色譜

1.4發(fā)光菌急性毒性實驗

采用明亮發(fā)光桿菌T3小種凍干粉作為指示生物，根據(jù)國家標準(GB/T 15441—1995)，進行15 min急性毒性實驗，以對發(fā)光菌發(fā)光的相對抑制率來表示毒性的大小：抑制率高，則毒性大，以此評價鐵屑降解萘普生的過程中毒性變化。發(fā)光菌發(fā)光強度的相對抑制率(I%)以式(1)計算：

(1)

式中，I1為樣品發(fā)光度，I0為對照發(fā)光度。

2結(jié)果與討論

2.1零價鐵表征分析

對工業(yè)鐵屑和還原鐵粉采用XRD進行表征。由XRD表征結(jié)果可知(圖2)，鐵粉中3個峰都是鐵衍射呈現(xiàn)峰，分別是44.5°、65°和82.3°，鐵屑中有硬化鐵碳(44°)、鐵(44.5°,65°,82.3°)和三氧化二鐵(30°,35.5°,43.8°,54°,57.2°,63°)呈現(xiàn)的衍射峰，結(jié)果表明鐵屑中含有碳。

圖2　鐵屑與鐵粉XRD衍射圖

2.2零價鐵降解萘普生影響參數(shù)研究

2.2.1鐵屑投加量對降解效果的影響

萘普生初始質(zhì)量濃度為10.0mg/L，反應時間為150min，T=26 ℃，溶液pH保持初始值不變，改變鐵屑的投加量進行試驗。萘普生殘余濃度和去除率隨鐵屑投加量變化關系如圖3所示?？梢钥闯?，鐵屑有一個最佳用量(2.5g/L)，在0～2.5g/L的范圍內(nèi)，降解效果隨著鐵屑量的增加而增加，當鐵屑用量超過2.5g/L時，萘普生的去除效果增加不明顯。這是因為鐵屑投加量的增加，提高了反應物與鐵的碰撞機率；但是過多的鐵屑會減弱攪拌對鐵屑的分散作用，同時也會發(fā)生式(2)的反應，產(chǎn)生大量的[H]來不及得到利用而散失。

圖3　萘普生殘余濃度和去除率隨鐵屑投加量變化關系

(2)

2.2.2萘普生濃度變化對降解效果的影響

鐵屑投加量為2.5 g/L，反應時間為150 min，T=26 ℃，溶液pH保持初始值不變，改變萘普生濃度(分別為4、6、8、10、12 mg/L)進行試驗。去除率隨其濃度變化關系如圖4所示。數(shù)據(jù)表明一定量的鐵屑(2.5 g/L)降解水體中的萘普生，在10.0 mg/L濃度范圍內(nèi)去除效果隨目標物濃度增大而增加，超過這個范圍濃度再增加，降解效果反而變差。

圖4　萘普生去除率隨初始濃度改變關系

2.2.3pH值變化對降解效果的影響

鐵屑投加量為2.5 g/L，T=26 ℃，萘普生初始質(zhì)量濃度為10.0 mg/L，改變?nèi)芤旱某跏紁H進行試驗，萘普生殘余濃度隨pH變化關系如圖5所示。當pH在2～3的范圍內(nèi)變化時，去除效果隨pH的降低而升高，當pH上升到4之后，用鐵屑處理萘普生基本上沒有效果。這是因為在更低pH的條件下，鐵的腐蝕速率會加快，釋放大量的[H]還原萘普生；而高pH會影響鐵屑的腐蝕，即使少量鐵屑仍能被腐蝕，腐蝕產(chǎn)物在此條件下也會很快生成氫氧化物的沉淀附在鐵屑表面，致其鈍化。

圖5　萘普生殘余濃度隨pH變化關系

2.2.4反應時間對降解效果的影響

鐵屑投加量為2.5 g/L，T=26 ℃，萘普生初始質(zhì)量濃度為10.0 mg/L，不改變?nèi)芤撼跏紁H進行試驗，萘普生殘余濃度和去除率隨反應時間的變化關系如圖6所示。由圖可見，試驗條件下，150 min內(nèi)體系中萘普生的殘余濃度隨反應時間的延長而快速降低，150 min之后，延長反應時間，萘普生的去除效果增加不明顯。

圖6　萘普生殘余濃度和去除率隨反應時間的變化關系

2.3零價鐵降解萘普生反應機制

鐵屑投加量2.5 g/L，T=26 ℃，萘普生質(zhì)量濃度10.0 mg/L，pH=2.0，進行鐵屑(鐵粉)降解萘普生的試驗，萘普生濃度隨反應時間變化如圖7所示，表1為反應前后pH值變化。以濃度對時間進行線性擬合，相關系數(shù)為0.967，反應接近零級動力學，特征值如表2?？梢娫诶硐氲姆磻獥l件下鐵屑處理水體中的萘普生，150 min去除率可達到89.2%。實驗證明了零價鐵法不失為一種有效處理含萘普生廢水的新方法。

圖7　理想反應條件下萘普生濃度隨反應時間變化

實驗前試驗后2.002.89

表2　鐵屑( 鐵粉)降解萘普生動力學特征

由圖3～圖7可知鐵屑以3種機制去除水體中的萘普生：

(1) 吸附作用。主要是鐵屑對萘普生的吸附，盡管單純的吸附并不能使目標物濃度持續(xù)降低，但它是Fe0降解污染物反應發(fā)生的前提條件；反應過程中伴隨Fe0的腐蝕，盡管pH值有所升高，發(fā)生式(2)的反應，堿性增強，但由式(3)～式(4)計算可知，難以產(chǎn)生Fe(OH)2、Fe(OH)3一類的絮狀沉淀，實驗過程中也觀察不到沉淀現(xiàn)象。所以實驗中萘普生濃度的降低，由鐵的腐蝕產(chǎn)物氫氧化物沉淀來絮凝吸附水體中萘普生的作用不明顯。

Fe2++2OH-→Fe(OH)2(Ksp=4.87×10-17)

(3)

Fe3++3OH-→Fe(OH)3(Ksp=2.64×10-39)

(4)

(2)Fe0還原作用。因為Fe0具有優(yōu)良的還原性，可以將吸附在其表面的污染物還原降解，以2種途徑降解萘普生：①直接還原。Fe0作為電子供體，直接將表面的電子轉(zhuǎn)移給萘普生(電子受體)使之還原，同時零價鐵被氧化為Fe2+。②微電解作用。因為鑄鐵鐵屑中含有少量碳(圖2所示)，鐵碳之間由于電位差形成原電池，電極反應的產(chǎn)物[H]與萘普生作用而將其還原，同時產(chǎn)生Fe2+。

注意到鐵屑和鐵粉在同等條件下，對同等濃度的萘普生的降解速率差別不明顯(表1所示)。如果鐵屑對萘普生的降解主要作用機制是利用形成原電池的還原作用，那么鐵屑的反應速率>鐵粉的反應速率才合符邏輯，然而實際上并非如此。這表明鐵屑降解萘普生，其主要機制應是Fe0的直接還原作用。

同時注意到pH值在鐵屑降解萘普生的過程中起著關鍵性作用，降解速率隨酸性的增強而提高明顯 (圖5所示)。這表明鐵屑降解水體中的萘普生，其實質(zhì)是產(chǎn)生新生態(tài)氫[H]來還原降解萘普生,反應如式(2)和式(5)所示：

RX+2[H]→RH++HX

(5)

所以酸性越強，鐵的腐蝕速率就加快，反應就會產(chǎn)生更多的[H]，表現(xiàn)在萘普生的去除速率就更高；堿性越強，鐵的腐蝕越會受到抑制，一方面影響產(chǎn)生[H]，另一方面也影響到鐵離子的產(chǎn)生，從而影響產(chǎn)生鐵的氫氧化物沉淀來絮凝吸附水體中的萘普生。

(3)Fe2+還原作用。由式(1)和式(2)可知，F(xiàn)e2+為Fe0的腐蝕產(chǎn)物，其本身也具有還原性，可能也會與萘普生發(fā)生氧化還原作用，反應如下：

Fe-2e-=Fe2+

(6)

Fe2++NPX+2H+→Fe3++products

(7)

綜合表明鐵屑對水體中萘普生去除的主要作用機制是Fe0的直接還原作用。

2.4零價鐵降解萘普生產(chǎn)物毒性

圖8表明在鐵屑降解萘普生的過程中，伴隨產(chǎn)物的生成，反應體系的毒性發(fā)生了變化。母體(萘普生) 的I%為24.77%，隨著降解反應的進行，樣品的發(fā)光抑制率先有降低，隨后升高，接著再稍微降低，然后再持續(xù)升高，這種結(jié)果是由鐵屑降解萘普生的產(chǎn)物發(fā)生了變化而引起的：在反應初期，主要以母體(萘普生)的降解為主，這時產(chǎn)物的種類及生成量都少，表現(xiàn)為發(fā)光抑制率降低；隨著反應的進行，產(chǎn)物的種類會增多，量也在不斷積累，表現(xiàn)出較大的毒性；反應到中后期時，雖然其中一些中間產(chǎn)物可能會被完全礦物化，但另一些具有更高毒性產(chǎn)物的種類和濃度不斷增大，所以發(fā)光抑制率持續(xù)保持較高的水平。

由以上可知，盡管鐵屑可以通過直接還原作用將萘普生去除，但同時也會生成具有較母體更高風險的產(chǎn)物，表明了鐵屑難以將萘普生完全礦物化為無機物。

圖8　萘普生降解過程中對發(fā)光菌的發(fā)光抑制率

3結(jié)論

選取甲醇/磷酸二氫鉀溶液為流動相，高效液相法分析水體中的萘普生，保留時間為3.378 min。在鐵屑投加量為2.5 g/L，萘普生質(zhì)量濃度10.0 mg/L，pH=2.0，反應時間為150 min的條件下，可實現(xiàn)對水體中的萘普生89.2%的去除。去除主要作用機制是Fe0直接還原，反應途徑是通過促進萘普生轉(zhuǎn)化為其他物質(zhì)，降解過程中會產(chǎn)生較萘普生毒性更強的中間產(chǎn)物。

參考文獻

[1]Deng B, Burris D R, Campbell T. Reduction of vinyl chlorinated in metallic iron-water system[J]. Environ Sci & Technol, 1999,33(15):2651-2656.

*基金項目：國家自然科學基金(21377031)，貴州省科學技術(shù)基金(黔科合J字[2013]2005號)，貴州省高校優(yōu)秀科技創(chuàng)新人才支持計劃(黔教合KY字[2013]150)，貴州省普通高等學校煤化工過程裝備與控制創(chuàng)新團隊項目(黔教合人才團隊字[2015]73)，畢節(jié)學院高層次人才科學研究項目(院科合字G2013005號)。

作者簡介林龍利，男，1974年生，博士，副教授，研究方向為環(huán)境化學。

(收稿日期：2014-12-20)

Removal of Naproxen from Water by Zero-valent Iron: Research on the Mechanism and Products Toxicity

LIN Longli1,3LIU Guoguang2ZHANG Yu1,3ZHAI Xianxian1LIU Jinghao1ZHANG Neng1

(1.CollegeofChemicalEngineering,GuizhouUniversityofEngineeringScienceBijie，Guizhou551700)

AbstractIn order to explore new processing technologies of non-steroidal drugs, the degradation of naproxen from aqueous solution by iron scraps has been studied, which includes influence factors, mechanism and toxicity evaluation of product. Firstly, the effects of dosages of iron scraps, pH value, initial concentration of naproxen and reaction time on degradation efficiency of naproxen are investigated, finding out that the removal rate of naproxen comes to 89.2% in 150 mins when the the initial concentration of naproxen is 10.0 mg/L, the dosage of iron scraps is 2.5 g/L and pH is 2.0. Then, the degradation mechanism of naproxen using iron scraps is studied, the results demonstrate that naproxen can be degraded effectively by iron scraps and naproxen is converted into other substances by the reduction of iron corrosion products ([H]). Finally, the toxicity evaluation illustrates that naproxen is formed into some intermediate products, more toxic than naproxen itself.

Key Wordsiron scrapsnaproxenvibrio fischeritoxicity