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TCS光解产物和转化机理

发布时间:2018-7-5 8:41:22  中国污水处理工程网

  1 引言(Introduction)

  三氯生(2, 4, 4-三氯-2-羟基二苯醚,triclosan, TCS)作为一种广谱杀菌消毒剂被广泛添加于日常生活用品和个人护理品(如牙膏、肥皂、洗手液、洗涤剂、护肤品等)(Gao et al., 2014).当前,TCS在不同环境介质(包括生活污水、地表水、地下水和底泥)中频繁被检出,美国30个洲139条河流中有80条检测到TCS;我国在珠江流域水体中检出TCS浓度高达478 ng·L-1(Kliegman et al., 2013; Kolpin et al., 2002; Zhao et al., 2010).有研究表明,TCS对某些水生生物(如藻类、鱼类等)有急性或慢性毒性作用.例如,TCS对淡水藻(S. subspicatus)的最大无影响浓度(NOEC)、最低有影响浓度(LOEC)和半抑制浓度(EC50)分别为0.5、1.2和2.8 μg·L-1;对青鳉(O. latipes)的半致死浓度(LC50)为600 μg·L-1(Kim et al., 2009; Orvos et al., 2002).此外,TCS能够干扰人体雌雄激素的分泌、诱发抗药性细菌的出现,其对人体健康和生态系统的影响不容忽视(Aranami and Readman, 2007; Gao et al., 2014).因此,TCS被认定为一种新兴的环境污染物,有必要对其在水中的消除进行研究.目前,国内外对水中TCS的去除已有诸多研究报道,多种处理技术(如臭氧氧化(Suarez et al., 2007)、高铁酸盐氧化(Yang et al., 2011)、高锰酸盐氧化(Zhang and Huang, 2003)、紫外/过氧化氢(罗从伟等,2017)、紫外/过硫酸盐(李青松等,2017)、光催化氧化(Yu et al., 2006)等)被证明能够有效降解水中的TCS.

  TCS对光较为敏感,在太阳光照下,水中的TCS可直接发生降解.Aranami和Readman(2007)发现:TCS在淡水和海水中可被直接光解,其在这两种水体中的半衰期分别为8 d和4 d.虽然已有文献报道了TCS在水中的光解,但是研究重点集中在TCS的降解动力学和反应产物,对水中常见成分(如天然有机物(NOM)、无机阴离子等)对TCS光解的影响却少见报道.NOM和硝酸盐(NO3-)是水体中比较常见的两种光敏物质,其在太阳光照下可以产生羟基自由基(HO·),从而可以导致水中污染物的间接降解(Chen et al., 2009; Keen et al., 2012).传统的混凝沉淀和活性污泥处理工艺不能完全去除TCS,而UV-254 nm在饮用水和污水的消毒中正逐渐被使用,因此有必要研究UV-254 nm对TCS的光解.本研究拟在254 nm波长紫外光照下,考察pH、NOM、NO3-和HCO3-对水中TCS降解的影响;并利用液相色谱——质谱联用仪对TCS的降解产物进行检测分析;最后,根据鉴定的反应产物推测TCS的光解机理.

  2 材料与方法(Materials and methods)2.1 试剂

  三氯生(HPLC级,纯度≥97%)购自Sigma-Aldrich公司;硝酸钠(NaNO3)、碳酸氢钠(NaHCO3)、磷酸氢二钾(K2HPO4)、磷酸二氢钾(KH2PO4)均为分析纯级,购自Fisher Scientific公司;Suwannee河腐殖酸(Humic acid, HA)和富里酸(Fulvic acid, FA)购自国际腐殖质学会(International Humic Substances Society, IHSS);甲醇和乙腈为色谱纯;去离子水(Milli-pore, 18 MΩ·cm)用于试剂和反应液的配置.

  2.2 光照实验

  光照实验在自制的平行光发射装置中进行,如图 1所示.所用光源为两根15 W的低压汞灯(Cole-Parmer公司),主要发射波长254 nm的紫外光.紫外光光强通过校准的光辐射计进行测定,平均光强为0.1 mW·cm-2.一个典型的试验过程如下:在反应器(Pyrex玻璃培养皿)中加入总体积为10 mL的反应液,盖上石英盖,将反应器放置到磁力搅拌器上,打开遮光板,平行光即会照射到反应器中,反应即开始并开始计时,在指定的取样时间点,取出0.15 mL的反应液加入到液相小瓶中,避光待测.整个试验都是在恒温和恒定搅拌速度下进行的.反应溶液的pH利用10 mmol·L-1的磷酸盐缓冲液进行调节.在TCS光解影响因素实验中,使用初始浓度为1 μmol·L-1的TCS;在TCS光解产物研究中,TCS初始浓度为10 μmol·L-1.除了产物分析,其他所有实验都至少重复3次.

  图 1

  图 1实验反应装置

  2.3 分析方法

  TCS利用高效液相色谱仪(HPLC, Agilent 1100)进行定量检测.Discovery HS C18色谱柱(2.1mm×150 mm, 5 μm, Supelco公司)用作固定相;流动相由25%纯水和75%乙腈组成;流速为0.2 mL·min-1;检测波长为221 nm;进样体积为50 μL;柱温为25 ℃.溶液pH采用pH计(pH meter 245, Corning公司)进行检测.TCS紫外可见吸收光谱利用紫外可见分光光度计(8452A, Hewlett Packard公司)进行扫描.TCS降解产物利用液相色谱——超高解析度四级杆飞行时间串联质谱仪(LC-QTOF/MS, Agilent公司)进行检测和鉴定.具体方法如下:色谱柱为Agilent ZORBAX Eclipse XDB-C18 Narrow Bore Rapid Resolution(2.1 mm×50 mm, 3.5 μm);流动相由纯水和乙腈组成,采用梯度洗脱的方式:0~8 min,乙腈由20%匀速增加到85%;然后保持1 min;9~10 min,乙腈由85%降回到20%.流速为0.4 mL·min-1;进样体积为20 μL;柱温为30 ℃.采用电喷雾电离(ESI),在负离子模式下进行扫描,扫描范围在50~500 u.所有质谱数据利用MassHunter B.04.00工作站软件(Agilent公司)进行分析.

  3 结果与讨论(Results and discussion)3.1 pH的影响

  如图 2所示,TCS在紫外辐射下可以发生降解,且降解效率随着pH的升高而逐渐增大.TCS的光解符合准一级反应动力学,其降解速率可以表示如下:

(1)

  图 2

  图 2 pH对TCS降解的影响 (实验条件:[TCS]0 = 1 μmol·L-1, 10 mmol·L-1磷酸盐缓冲液)

  将式(1)修改为基于紫外线剂量的准一级反应动力学形式(Khan et al., 2014),得:

(2)

  式中,[TCS]0和[TCS]为反应前和指定的紫外线剂量下TCS的摩尔浓度(μmol·L-1);kobs为基于紫外线剂量的表观准一级反应速率常数(cm2·mJ-1);UVfluence为紫外线剂量(mJ·cm-2).

  根据式(2),我们可以求得不同pH条件下TCS直接光解的表观速率常数,见表 1.在紫外光照下,TCS降解的表观速率随着pH的升高而逐渐增大,从pH 5.3时的(2.51 ± 0.19) × 10-3 cm2·mJ-1增大到pH 8.5时的(7.36 ± 0.04) × 10-3 cm2·mJ-1.该结果可能与TCS的摩尔吸光系数(εTCS)和量子产率(ΦTCS)有关,因为一种有机物发生光解需要满足两个必要条件:①有机物吸收一定波长的光子后可以发生激发,即摩尔吸光系数的情况;②激发态的有机物发生化学分解过程要明显优于物理失活过程,即量子产率的大小(Liu et al., 2015).图 3为不同pH值下TCS的摩尔吸光系数.在254 nm波长下,TCS的摩尔吸光系数从pH 5.9时的2118.1 L·mol-1·cm -1逐渐升高到pH 8.5时5065.1 L·mol-1·cm -1,如表 1所示.因此,在pH 5.9~8.5范围内,TCS降解速率的提高可能归因于逐渐升高的εTCS.除了摩尔吸光系数,量子产率也是影响化合物光解效率的一个重要因素.TCS在254 nm波长下的量子产率可以根据式(3)计算(Bolton and Stefan, 2002):

(3)

  

  图 3

  图 3不同pH下TCS的摩尔吸光系数 (实验条件:[TCS]0 = 30 μmol·L-1, 10 mmol·L-1磷酸盐缓冲液)

  式中:Uλ为254 nm波长下的摩尔光子能量,其值为471528 J·Einstein-1(Bolton and Stefan, 2002).

  求出的ΦTCS见表 1.虽然TCS在pH 5.3时的摩尔吸光系数高于pH 5.9时的值,但是pH 5.3时的ΦTCS最小,因此,这两种因素可能综合影响了TCS在该pH值下的光解,使其在研究的pH值中降解速率最慢.TCS的pKa为8.1(Kliegman et al., 2013),随着pH的升高,TCS主要以去质子化的形态存在,由上述结果可知:去质子化的TCS吸光能力强于质子化的TCS.

  3.2 NOM的影响

  NOM在自然水体中是普遍存在的,在太阳光照下,其对水中污染物降解影响的研究已经被大量报道(Canonica, 2007; Carlos et al., 2012; Yu et al., 2010).通常,NOM对水中污染物的去除具有双重效应:①由NOM的遮光作用和自由基淬灭引起的抑制效应;②由激发态的NOM或光激发生成的活性氧物质(Reactive Oxygen Species, ROS,如HO·、1O2和O2·-等)引起的促进作用(Carlos et al., 2012; Xu et al., 2011).当前研究中,我们分别采用腐殖酸(HA)和富里酸(FA)代表NOM,研究NOM对254 nm波长紫外辐射下TCS降解的影响.如图 4所示,当存在不同浓度的HA或者FA时(通过溶解性有机碳来定量),TCS降解的表观速率与纯水中的相比会有一定程度的减小,且NOM浓度越高,TCS光解被抑制的越多.与FA相比,HA对TCS降解的抑制作用更大,这可能与它们的分子量及分子结构不同有关,需要对此进一步研究.该结果表明:在直接紫外光解TCS时,NOM的效应①强于效应②.

  图 4

  图 4 NOM对TCS去除的影响 (实验条件:[TCS]0 = 1 μmol·L-1, 10 mmol·L-1磷酸盐缓冲液(pH = 7.4))

  3.3 NO3-的影响

  由图 5可以看出,NO3-的存在可以促进TCS的光解,且降解速率随着NO3-浓度的升高而增快.这可能归因于光激发NO3-产生的HO·的作用.NO3-作为水中比较常见的一种光敏物质,其在太阳光照下可以产生HO·,如式(4)~(7)所示(Mack and Bolton, 1999).为了证明上述的解释,我们向反应溶液中加入了HO·淬灭剂,即50 mmol·L-1甲醇(MeOH, kHO·/MeOH = 9.7 × 108 L·mol-1·s-1(Buxton et al., 1988)),结果如图 6所示.相比于UV/NO3-体系,TCS在UV/NO3-/MeOH体系中的降解受到了一定的抑制,与其直接紫外光解类似.这一结果有力地证明了我们的推测.

(4)
(5)
(6)
(7)

  图 5

  图 5 NO3-对TCS降解的影响 (实验条件:[TCS]0 = 1 μmol·L-1, 10 mmol·L-1磷酸盐缓冲液(pH = 7.4))

  图 6

  图 6 UV/NO3-体系中HO·的证明 (实验条件:[TCS]0 = 1 μmol·L-1, [NO3-]0 = 10 mmol·L-1, [MeOH]0 = 50 mmol·L-1, 10 mmol·L-1磷酸盐缓冲液(pH = 7.4))

  3.4 UV/NO3-体系中HCO3-的影响

  HCO3-是水体中普遍存在的一种阴离子,也是一种重要的HO·淬灭剂,两者的反应如式(8)所示(Buxton et al., 1988).自然水体中存在着多种光敏物质(如NOM、NO3-),在太阳光照下,这些光敏物质受激发可以生成一定浓度的HO·.因此,HCO3-可能会对水中有机污染物的光降解有一定的影响.为了弄清HCO3-对实际水体中TCS光解的影响,本研究利用UV/NO3-体系来探讨HCO3-对TCS光解的影响,结果如图 7所示.为了避免pH对TCS降解的影响,我们同时进行了3组控制实验,即TCS在UV/pH 8.5 buffer、UV/HCO3-和UV/NO3-/pH 8.5 buffer体系(4个反应体系pH相同,均为8.5)中的光解.从图 7可以看出,TCS在UV/pH 8.5 buffer和UV/HCO3-这两个体系中的降解基本类似;相比于UV/pH 8.5 buffer体系,TCS在UV/NO3-/pH 8.5 buffer体系中的降解效率明显提高,该发现与3.3节得到的结果相同,主要是由于光活化NO3-生成的HO·的作用.与UV/NO3-/pH 8.5 buffer体系相比,TCS在UV/NO3-/HCO3-中的降解速率进一步提高,这可能与HCO3-和HO·反应生成的碳酸根自由基(CO3·-)有关.CO3·-是一种选择性的单电子氧化剂,其主要通过电子转移或者抽氢作用与富含电子的有机物进行反应.虽然目前无文献资料报道CO3·-和TCS的二级反应速率常数,但是CO3·-与酚类化合物较易发生反应(Canonica et al., 2005),如苯酚(kCO3·-/phenol=2.4×108~4.7×108 L·mol-1·s-1)(Neta et al., 1988)、对氯苯酚(kCO3·-/4-chlorophenol=1.9×108 L·mol-1·s-1)(Neta et al., 1988).TCS分子结构中有酚结构,因此我们预测TCS与CO3·-的二级反应速率常数可能在106~108 L·mol-1·s-1范围内,两者可以发生较快的反应.具体联系污水宝或参见http://www.topicons.com更多相关技术文档。

(8)

  图 7

  图 7 UV/NO3-体系中HCO3-的影响 (实验条件:[TCS]0 = 1 μmol·L-1, [NO3-]0 = 10 mmol·L-1, [HCO3-]0 = 3 mmol·L-1, 10 mmol·L-1磷酸盐缓冲液(pH = 8.5))

  3.5 TCS光解产物分析及机理推测

  液相色谱——超高解析度四级杆飞行时间串联质谱仪(LC-QTOF/MS)用于TCS光解产物的检测和分析.为了提高产物丰度以便于检测,该部分研究使用初始浓度为10 μmol·L-1的TCS.为了避免磷酸盐对仪器测定的干扰,实验在超纯水中进行.在紫外光解TCS反应中,共检出7种降解产物,其分子质量(Mw)、质荷比(m/z)、分子式和可能的结构见表 2.图 8为TCS和主要反应产物(包括m/z 267、253、249和235)浓度随时间的变化.由于缺乏反应产物的标准物质,故不能对其浓度进行定量,因此本研究直接采用各个产物的峰体积数值(从质谱分析软件MassHunter B.04.00直接获得)来反映每种产物在反应体系中浓度的变化.从图 8可以看出,TCS持续被降解,在紫外线剂量为640 mJ·cm-2时,大约75%的TCS被消除;四种主要产物的浓度不断上升,其中m/z 253为最重要的产物.另外3种产物(m/z 231、217和215)在初始样品中未被检出,在光照后的水样中至少被检出2次,且浓度呈上升趋势,因此,也被认为是TCS的光解产物.

  

   图 8

  图 8 TCS及其主要降解产物随时间的变化 (实验条件:[TCS]0 = 10 μmol·L-1,去离子水)

  基于检出的降解产物,我们推测紫外光解TCS的反应机理主要包括3种不同的转化路径,分别为:(1)脱氯氢化、(2)脱氯羟基化、(3)醌化反应,如图 9所示.TCS在吸收紫外光子后可以转变为激发态的TCS,激发态的TCS可能会发生3种反应:①通过能量释放(如发射荧光)转变回基态的TCS;②直接分解;③通过能量转移(Ⅰ类反应)或电子转移(Ⅱ类反应)产生活性氧物质,如1O2、O2·-和HO·等,这些ROS可能与TCS发生反应.因此,TCS的紫外光降解可能包括直接光解和间接降解(自敏化降解)两种反应途径.其中,脱氯氢化可能是由直接紫外光解引起;脱氯羟基化和醌化反应可能是由自敏化降解引起.TCS通过脱氯氢化反应生成脱氯产物m/z 253,该产物通过脱氯羟基化反应和醌化反应分别生成产物m/z 235和m/z 267.生成的m/z 235通过路径(2)和(3)分别产生产物m/z 217和m/z 249,氢醌产物m/z 217通过抽氢作用生成产物m/z 215.产物m/z 249除了由m/z 235通过醌化反应生成,还可以由m/z 267通过路径(2)得到,该产物可进一步发生脱氯氢化和脱氯羟基化反应生成产物m/z 215和m/z 231.

  图 9

  图 9 TCS可能的光解路径 Fig. 9 Possible transformation pathways of TCS by UV irradiation

  有研究表明,TCS在光照下可以转化为毒性更强的2, 8-二氯二苯并-对-二英(2, 8-dichlorodibenzo-p-dioxin, 2, 8-DCDD)(Latch et al., 2003; Wong-Wah-Chung et al., 2007).本研究只在紫外线剂量为80 mJ cm-2时检测到2, 8-DCDD,而在其他样品中未检出该化合物,因此我们不能确定该物质是否为TCS的光解产物,但是不能排除这种可能.由反应产物可以看出,TCS在紫外辐射下产生了多种醌类化合物,其毒性可能会有所增强,下一步我们将对反应液的毒性进行研究.

  4 结论(Conclusions)

  1) TCS在紫外光照下可以发生降解,其光解遵循准一级反应动力学.TCS的降解效率随着pH的升高逐渐增大,去质子化的TCS摩尔吸光系数强于质子化的TCS.

  2) 由于NOM的光掩蔽作用,NOM会抑制水中TCS的光解,且NOM浓度越高,抑制作用越明显.

  3) NO3-的存在可以促进TCS的降解,这是由于光激发NO3-产生的HO·的作用.与单独存在NO3-相比,NO3-和HCO3-的同时存在进一步加快了TCS的光解,这可能归因于HCO3-和HO·反应生成的CO3·-.

  4) TCS在紫外辐射下共生成7种降解产物,根据这些反应产物推测TCS的光解机理主要包括3种不同的转化路径,分别为脱氯氢化、脱氯羟基化和醌化反应.(来源:环境科学学报 作者: 史鸿乐)

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