1 引言
磺胺類藥物(SAs)是具有對氨基苯磺酰胺結構的一類藥物總稱,因抗菌譜廣、性質穩定、抗菌作用較強且價格低廉而廣泛應用于人類醫療、食品加工、畜牧和水產動物養殖的疾病防治中,是成功應用于人類傳染性疾病治療的第一類抗菌劑.據國內外的相關報道,SAs雖然在環境水體中的檢出濃度較低,但仍具有一定的生態毒性,因此,其環境殘留問題也越來越受到國內外學者的重視.目前,國內外用于磺胺類藥物降解的技術主要有O3氧化、UV/H2O2氧化、Fenton氧化和UV-A/TiO2光催化降解等.其中,Fenton技術是運用最多的高級氧化技術,可以降解大部分復雜的有機污染物,在廢水處理中具有較高的優越性.然而Fenton技術的應用還存在著一些問題,例如,Watts等發現,H2O2不易運輸與保存,并且在投加時穩定性差,容易分解,導致H2O2利用效率不高,從而使處理成本提高.Fenton反應的適宜pH范圍為3~4,不利于污水的前處理,且隨著pH的提高,Fe3+會產生大量Fe(OH)3沉淀影響后續處理.因此,需要對傳統的Fenton技術進行改良.
過碳酸鈉(Sodium Percarbonate,SPC),化學式為2Na2CO3·3H2O2或Na2CO3·1.5H2O2,又稱過氧碳酸鈉,俗稱固體雙氧水.SPC與液態H2O2相比,性質更穩定,更容易保存與運輸,分解產物為H2O2和Na2CO3,具有無毒、無臭、無污染等優點.SPC的化學性質不僅與液態H2O2相似,而且使用的pH條件寬泛,即使在中性條件下仍然具有較強的氧化性.因此,可以使用SPC作為新型氧化劑,替代Fenton反應中的H2O2,改良成新的氧化體系——Fe2+/SPC.因此,本文以典型的磺胺類抗生素——磺胺二甲嘧啶(Sulfamethazine,SMT)作為目標污染物(其物化性質如表 1所示),以Fe2+/SPC為氧化體系,研究磺胺二甲嘧啶的降解情況,著重考察Fe2+和SPC初始濃度及溶液初始pH對其降解的影響.同時,通過猝滅實驗探究體系中的主要活性物種,通過HPLC-MS/MS技術鑒定主要的產物并提出可能的降解途徑,以期為工程實際中抗生素類新興污染物的處理提供理論參考.
表 1 SMT理化性質
2.1 實驗材料
磺胺二甲嘧啶,純度>99%,購自阿拉丁試劑公司;過碳酸鈉(Na2CO3·1.5H2O2),純度>98%,購自Sigma試劑公司;甲醇、乙腈均為色譜純,購自美國ACS恩科化學;硫酸亞鐵、氫氧化鈉、濃硫酸、異丙醇均為市售AR試劑;實驗過程用水均為超純水.
2.2 實驗方法
2.2.1 SMT降解實驗
SMT在不同體系下的降解：反應溶液體積為500 mL,SMT濃度為0.02 mmol·L-1,4種反應體系中SPC初始濃度為0.2 mol·L-1,Fe2+初始濃度為0.3 mmol·L-1,Na2CO3初始濃度為0.2 mmol·L-1,H2O2初始濃度為0.3 mmol·L-1,pH為5.6,反應溫度為(20±1)℃,每組實驗做3次平行,分別在0、1、3、5、10 min取樣3 mL,用等體積的0.1 mol·L-1硫代硫酸鈉溶液終止反應,采用HPLC測定溶液中SMT的殘留濃度.
Fe2+與SPC初始濃度的影響：SMT濃度為0.02 mmol·L-1,分別改變Fe2+與SPC的初始濃度(0.1~1.2 mmol·L-1),其余同上.
初始pH的影響：將0.02 mmol·L-1 SMT反應液分別用1%的NaOH或H2SO4調節溶液pH為4.0、6.0、8.0,并做1組空白對照試驗(pH不調,為5.6),Fe2+/SPC/SMT物質的量比為15∶10∶1,其余同上.
自由基猝滅實驗：在0.02 mmol·L-1 SMT反應液中添加0.5~6.0 mmol·L-1異丙醇猝滅HO·,Fe2+/SPC/SMT物質的量比為15∶10∶1,其余同上.
SMT降解產物分析：SMT濃度為0.02 mmol·L-1,Fe2+/SPC/SMT物質的量比為15∶10∶1,pH為5.6,反應溫度為(20±1)℃,反應10 min后,取150 mL反應液于旋轉蒸發儀,濃縮150倍后用于液質檢測.
2.2.2 SMT降解率及降解變化率的計算
SMT的降解率η用公式(1)計算,SMT降解率的變化率υk用公式(2)計算.
(1)
(2)
式中,C0和C分別為初始和t時刻的SMT的濃度(mmol·L-1),mSPCk為在k點時SPC的物質的量(mol),其中,k≥2.
2.3 分析方法
SMT濃度采用高效液相色譜儀(島津LC-20AT)分析,色譜柱：VP-ODS,SHIMADZU(150 mm×4.6 mm,5 μm);檢測器為光電二極管陣列檢測器SPD-M20A;檢測波長為266 nm,流動相為乙腈-水(20∶80,體積比),流速1 mL·min-1,進樣量10 μL,柱溫35 ℃.
SMT的降解產物采用HPLC-MS/MS鑒定分析.測定儀器：高效液相色譜-離子肼質譜儀(Agilent 1100-MSD-Trap-XTD);色譜柱：ODS色譜柱(250 mm×4.6 mm,5 μm);進樣量 10 μL;流動相組成：水(含0.2%冰醋酸)、甲醇.采用梯度洗脫：10%的甲醇在15 min內上升到90%,90%的甲醇維持5 min;洗脫液流速1.0 mL·min-1.MS部分采用電噴霧電離源(ESI),檢測模式為負離子檢測;干燥氣(N2)流速10.0 L·min-1,溫度350 ℃,碰撞氣為氬氣,離子源噴射電壓 3500 V,霧化氣(N2)壓強為275.8 kPa,掃描范圍為50~500(m/z).
3 結果與討論
3.1 不同反應體系中SMT的降解情況
實驗研究了初始濃度為0.02 mmol·L-1的SMT溶液分別在單獨使用SPC、Fe2+/Na2CO3、Fe2+/H2O2、Fe2+/SPC 4種反應體系下的降解效果(Fe2+初始濃度為0.3 mmol·L-1,Na2CO3初始濃度為0.2 mmol·L-1,H2O2初始濃度為0.3 mmol·L-1),結果如圖 1所示.
圖 1不同反應體系中SMT的降解情況
從圖 1可知,單獨使用SPC與Fe2+/Na2CO3對SMT的降解效果不明顯,只有不到2%的降解率.這是因為單獨使用SPC時,溶液中SPC產生的H2O2很難分解生成活性物質,H2O2在短時間內對SMT幾乎沒有降解作用,而Fe2+/Na2CO3體系并不能產生可以降解SMT的物質,對SMT的降解能力幾乎可以忽略.Fe2+/H2O2體系的使用在一定程度上提高了SMT的降解率,反應10 min后可以達到56%,主要是因為H2O2在Fe2+催化作用下分解產生強氧化性的HO·,HO·可以分解SMT,類似的結果多有報道,但降解效果都不明顯.而在Fe2+/SPC體系中,SMT的降解率提高迅速,在反應1 min時其降解率就高達84%,效果顯著,這可能與體系中HO2-的生成有關,因為SPC水溶液呈較強的堿性,存在反應式(3),而HO2-比H2O2更容易分解產生活性氧,因此,相對于Fe2+/H2O2體系,Fe2+/SPC體系對SMT的降解能力更強.
(3)
SMT在Fe2+/SPC氧化體系中的降解分為兩個階段：在第1階段(1 min內)其反應基本完成,主要原因是SPC分解得到的H2O2濃度高,Fe2+與H2O2迅速反應,產生大量HO·,SMT與HO·快速反應而被去除;而在第2階段(1 min以后),SMT的降解率幾乎沒有再上升,呈平緩狀態,這是因為HO·的濃度較低.造成HO·濃度較低的原因有兩點：一是在第1階段時絕大部分的Fe2+被氧化成Fe3+,Fe3+與Fe2+相比,和H2O2的反應速率慢得多;二是在第2階段中間產物濃度較高,HO·可能會被某些中間產物消耗掉.以上兩點都會導致第2階段的反應大大降低甚至使反應停止,因此,第2階段降解率呈平緩的狀態.
3.2 Fe2+初始濃度的影響
由于Fe2+的初始濃度可以直接影響HO·的產量,因此,本文擬探究Fe2+的初始濃度對SMT降解的影響.保持反應溶液內SPC/SMT的物質的量比為10∶1(SPC初始濃度為0.2 mmol·L-1,SMT初始濃度為0.02 mmol·L-1),只改變Fe2+的初始濃度,SMT的降解情況如圖 2所示.
圖 2 SMT降解率隨Fe2+初始濃度的變化情況(插圖為不同Fe2+/SPC/SMT比例下SMT的降解情況)
從圖 2可知,Fe2+初始濃度對Fe2+/SPC體系降解SMT具有顯著影響.Fe2+初始濃度由0.1 mmol·L-1增加到0.3 mmol·L-1的過程中,SMT的降解率由3%迅速提高到84%.這是因為Fe2+的加入可以催化分解SPC溶于水產生的H2O2生成HO·(式(4)、(5)),這種促進作用隨著Fe2+初始濃度的提高而加大.當Fe2+的初始濃度分別為0.3、0.4和0.6 mmol·L-1時,SMT的降解率分別為84%、86%、87%,其降解率提高不明顯.這是因為體系中SPC在水中生成的H2O2量是一定的,過量的Fe2+并不能與H2O2發生Fenton反應產生更多的HO·.當Fe2+初始濃度提高到0.8 mmol·L-1后,其降解率為81%,開始出現下降的趨勢,當把Fe2+初始濃度繼續提高到1.2 mmol·L-1后,其降解率甚至下降到了76%.這是由于當Fe2+初始濃度很高時,過量的Fe2+會與HO·發生反應,反而抑制了SMT的降解(式(6)),類似的結果也有報道.
(4)
(5)
(6)
3.3 SPC初始濃度的影響
在Fe2+/SMT的物質的量比為15∶1(Fe2+初始濃度為0.3 mmol·L-1,SMT初始濃度為0.02 mmol·L-1)的情況下,只改變SPC的初始濃度,實驗考察了SPC初始濃度對SMT降解的影響,結果如圖 3所示.
圖 3 SMT降解率隨SPC初始濃度的變化情況(插圖為不同Fe2+/SPC/SMT比例下SMT的降解情況)
由圖 3可知,作為體系中H2O2的直接來源,SPC初始濃度對Fe2+/SPC體系降解SMT同樣具有明顯影響.當SPC初始濃度由0.1 mmol·L-1提高到0.2 mmol·L-1后,SMT的降解率由68%提高到84%,提升效果顯著.因為在較低濃度時,增加SPC的初始濃度可以增加H2O2的量,在Fe2+的催化作用下,H2O2生成更多的HO·促進了SMT的降解.但當SPC初始濃度提高到0.6 mmol·L-1后,SMT的降解率卻由84%下降到了11%,抑制效果十分顯著.導致這種現象的主要原因是此時體系中HO·濃度較大,一方面HO·被HO·自身猝滅(式(7)),另一方面,HO·會與過量的H2O2發生反應(式(8)),結果導致HO·有效利用率大大下降,影響SMT的去除.當繼續提高SPC的初始濃度,SMT的降解率不再下降,在0.9 mmol·L-1和1.2 mmol·L-1時SMT的降解率分別為11%和10%.這是因為此時溶液中的Na2CO3濃度較高(式(4)),溶液的pH值升高,Fe2+迅速轉化為Fe3+,并生成Fe(OH)3沉淀,從而降低了Fe2+的濃度,最終抑制了SMT的降解.
(7)
(8)
由上述兩組實驗結果可知,對于0.02 mmol·L-1的SMT溶液,Fe2+與SPC的最佳初始濃度分別為0.3 mmol·L-1和0.2 mmol·L-1,即Fe2+/SPC的最佳物質的量比為15∶10,按此比例增大氧化劑SPC的用量,考察SMT的降解情況,結果如圖 4所示.
圖 4 SMT在不同氧化劑SPC用量下的降解情況及降解率的變化率
從圖 4可以看出,在Fe2+/SPC物質的量比為15∶10的情況下,增大氧化劑SPC的量可以有效提高SMT的降解效果.當SPC的濃度分別為0.1、0.2和0.4 mmol·L-1,SMT的降解率分別為52%、84%和95%,當濃度達到0.6 mmol·L-1以后,降解甚至率可達100%,效果顯著.從SMT降解率變化情況可以看出,當SPC的濃度為0.1 mmol·L-1時,SMT降解對氧化劑的利用率是最高的,隨著氧化劑使用量增大,其對氧化劑的利用率不斷降低,但在濃度為0.2 mmol·L-1時仍有較高的氧化劑利用率.綜合考慮處理效果及成本,本實驗擬用Fe2+/SPC=15∶10作為降解SMT的最佳比例.該實驗結果可以作為實際工程應用的指導,在保證處理效果的情況下最大化提高氧化劑的利用率,提高經濟效益.
3.4 溶液初始pH的影響
pH值會影響Fe2+的濃度及SMT在水溶液的解離形態,故在SMT初始濃度為0.02 mmol·L-1,Fe2+/SPC/SMT物質的量比保持在15∶10∶1,體系初始pH分別為4.0、6.0、8.0及初始pH未調節時考察SMT的降解情況,結果如圖 5所示.
圖 5溶液初始pH對SMT降解率的影響
由圖 5可以看出,溶液初始pH對SMT的降解效果有一定影響.當溶液初始pH分別為4.0、5.6(pH不調)、6.0和8.0時,反應10 min后SMT的降解率依次為88%、84%、83%及75%,SMT的降解隨溶液pH升高而逐漸降低.這主要與溶液中鐵的存在形式有關,隨著pH的升高,Fe2+容易形成水合絡合物Fe(OH)+和Fe(OH)2,然后進一步轉化為Fe(OH)3沉淀,導致Fe2+的濃度下降,從而大大降低了HO·的產生,SMT的降解受到抑制.
然而SMT在pH為8.0時的降解率仍達到了75%,有較高的去除效果.原因有兩方面：一方面是SMT分子結構中含有2個解離位點,在水溶液中的存在形態與pH有關,其主要有3種解離形態,分別為SMT的陽離子態(H2SMT+)、中性離子態(HSMT0)和陰離子態(SMT-).如圖 6所示,當pH值由4.0升高到8.0的過程中,中性離子態(HSMT0)的比例由100%下降到20%,去質子化的陰離子態(SMT-)的比例由0提高到80%.Chen等研究光降解胺類化合物時,認為隨著pH的升高,去質子化氨基上未配對N電子的可利用性提高,這個N電子可快速轉移至激發態等具有高活性的物質上,失去電子的胺類化合物從而可以快速降解.因此,可以認為去質子化的陰離子態(SMT-)更容易將N電子轉移給HO·,從而使化合物快速降解,提高降解率.另一方面是Fe2+與H2O2反應的過程中有H+產生,最終導致反應體系呈現較強的酸性.表 2列出了不同反應初始pH條件下體系反應前后溶液pH的變化,可見在反應10 min后,體系pH都下降到3.0左右.因此,雖然體系pH的升高會抑制SMT的降解,但由于上述兩方面的原因會減輕這種不利作用,導致SMT的降解率下降幅度不大.
圖 6水溶液中SMT在不同pH下的解離形態分布
可見,Fe2+/SPC體系可以在比較寬泛的pH條件下降解SMT,即使在偏堿性條件下也可以達到較好的處理效果,與傳統的Fenton技術反應需要比較低的pH條件相比有著巨大的應用前景.
3.5 Fe2+/SPC體系中自由基的確定
為確定Fe2+/SPC體系降解SMT的活性物種,實驗通過添加異丙醇(Isopropanol,IPA,HO·猝滅劑)來考察SMT的降解情況.SMT溶液初始濃度為0.02 mmol·L-1,Fe2+/SPC/SMT物質的量比為15∶10∶1,結果如圖 7所示.
圖 7 IPA對Fe2+/SPC降解SMT的抑制情況
由圖 7可知,在添加了IPA的樣品中表現出對SMT降解明顯的抑制作用,說明Fe2+/SPC體系中有HO·的產生.當IPA的添加濃度分別為0.5、1.0、2.0、4.0和6.0 mmol·L-1時,反應10 min,對SMT降解的抑制率分別為57%、72%、82%、94%和96%,可見隨著IPA濃度的增加,HO·的濃度不斷降低,在IPA的添加濃度為6.0 mmol·L-1時,可以認為反應體系中的HO·已經被完全清除.實驗結果表明,SMT在Fe2+/SPC體系中的降解主要是由HO·引起的,同樣的結論在Miao等的研究中也有報道.
3.6 SMT的降解產物及途徑
本實驗利用HPLC-MS/MS分析SMT在Fe2+/SPC體系中的降解產物,其總離子流色譜圖(TIC)如圖 8所示.從圖 8可知,共有7種中間產物被檢測到,分別用P1~P7表示.根據總離子流色譜圖(TIC)和產物的二級質譜圖信息推測其主要降解產物的結構并提出可能的降解途徑,以進一步了解SMT的降解機理,SMT降解產物的質譜碎片信息及推測的可能結構列于表 3.從表 3可知,P6是與苯環相連的氨基發生羥基取代反應生成的羥胺產物;P4、P7是羥胺產物上的N原子進一步被氧化發生亞硝基化反應的產物;P2、P5是磺酰胺鍵[S—N]斷裂生成的產物;P3的生成途徑有2種：一是P2上與苯環相連的氨基發生羥基取代生成的,二是P6上磺酰胺鍵[S—N]斷裂生成的產物;P1是母體脫SO2后發生分子間重排的產物.
圖 8 SMT降解產物的總離子流圖
表 3 SMT降解產物的質譜碎片信息和推測結構
由此推測其可能的降解途徑有3種,具體如圖 9所示.途徑Ⅰ是HO·攻擊SMT上與苯環相連接的N原子上的H原子.由于苯環的大π電子體系使N原子的電負性更強,N原子上的H原子容易與HO·發生取代反應,生成羥胺產物P6,然后P6的羥胺基上的N原子通過電子轉移形成氮中心自由基,進一步被HO·進攻形成亞硝基產物P7,Ahmed等在利用SO4·-降解磺胺甲惡唑的研究中也有相同的報道.研究發現,磺胺類抗生素在氧化過程中其分子結構上的磺酰胺鍵[S—N]容易受到氧化劑或者活性自由基的攻擊而發生斷裂,SMT的降解也有相似的過程,具體如途徑Ⅱ所示,SMT分子中的磺酰胺鍵[S—N]在HO·攻擊下斷裂,生成兩種分子量較小化合物P2和P5.P2會逐步被氧化,先是與苯環相連的氨基發生羥基取代反應生成羥胺產物P3,然后是P3羥胺基上的N原子發生亞硝基化反應生成P4,該過程與途徑Ⅰ類似.途徑Ⅲ是參考Gao的研究而作出的推測,他們發現SMT在UV/PS體系氧化作用下會發生分子間重排生成一種脫SO2的化合物.由于正電子的離域作用,與N原子相連的芳香苯環的對位有很強的缺電性,因而變得容易受到分子間的親核攻擊.因此,他們認為SMT分子中的苯胺部分在SO4·-或HO·作用下會產生苯胺自由基,而SMT分子中嘧啶環上的N原子恰恰可以作為親核試劑進攻該位置,最終導致分子結構重排,SO2部分被脫除.因此,可以推斷SMT在本實驗中的降解也發生了類似的過程,生成P1.
圖 9 SMT在Fe2+/SPC體系中降解的可能途徑
El Ghenymy等在研究SMT在電-Fenton法中的降解時,同樣認為SMT的降解主要是通過羥基取代反應及磺酰胺鍵[S—N]的斷裂進行的;Tentscher等研究發現,SMT在光降解的過程中會有一種分子間重排的化合物生成;Gao等用氧化錳降解SMT,通過量子化學計算建模和瞬態吸收光譜發現了苯胺自由基的存在,證明SMT在降解過程中確實是通過苯胺自由基發生分子間重排而脫SO2的.本文的研究結果與其結論相一致.具體參見污水寶商城資料或http://m.bnynw.com更多相關技術文檔。
4 結論
1)SMT在Fe2+/SPC體系中可以被有效降解,Fe2+與SPC的初始濃度對SMT的降解率影響顯著,適當增大初始濃度可以有效提高SMT的降解率,但當濃度達到一定值后,反而會抑制SMT的降解,體系中Fe2+與SPC存在最佳物質的量比.
2)溶液初始pH對SMT在Fe2+/SPC體系的降解抑制作用較小,在偏堿性條件下SMT仍能有較高的降解率.
3)Fe2+/SPC體系中對SMT降解的主要活性物種是HO·. 4 )HPLC-MS/MS分析結果表明,Fe2+/SPC體系降解SMT可能的途徑有3種,主要涉及苯環相連的氨基發生羥基取代反應、磺酰胺鍵[S—N]斷裂及分子間結構重排脫SO2.(作者及來源：廣東工業大學環境科學與工程學院 陳智明、劉國光、馬京帥、王珍、林曉璇、李富華、陳平廣)
