题名真空紫外紫外降解饮用水中典型农药的机理和应用研究
作者杨腊祥
答辩日期2018-06
文献子类博士
授予单位中国科学院生态环境研究中心
授予地点北京
导师强志民
关键词农药,Vuv/uv,辐射强度,降解机制,经济可行性 Pesticide, Vuv/uv, Fluence Rate, Degradation Mechanism, Economic Feasibility
学位名称工学博士
其他题名Mechanism and application of vacuum ultraviolet/ultraviolet for degradation of typical pesticides in drinking water
学位专业环境工程
英文摘要

      农药已经在全世界范围内被广泛地应用于农业生产。由于它们在水生环境中的持久性以及对人类健康潜在的不利影响,农药对自然水体的污染已经成为一个世界性的环境问题。因此,作为一种高级氧化技术,真空紫外/紫外(VUV/UV)工艺在水处理领域受到越来越多的关注。它具有降解污染物效率高、无化学药剂添加、反应系统简单、操作维护方便等优点。目前已有很多文献报道使用VUV/UV降解有机污染物,它们都揭示了VUV/UV在降解水中有机污染物方面的潜力。然而,使用VUV/UV去除饮用水中农药的研究,尤其是涉及到技术和经济可行性的评估,至今很少有人报道。因此,本文主要的目的是研究VUV/UV降解饮用水中农药污染物的特性,以期为VUV/UV实际工程应用提供理论依据。

      水在185 nm VUV辐射下会裂解生成羟基自由基(HO?),从而进一步生成H2O2。H2O2的生成量随反应时间的增加而增加,反应5 h后达到最大值(约41 μM)。在反应前10 min内,H2O2的生成很好地符合伪零级反应动力学,且生成速率与VUV辐射强度成明显线性相关(r2 = 0.993)。H2O2生成的表观光量子产率被测定为0.024。随着溶液pH或者反应体积增加,H2O2的生成速率逐渐下降。溶液氧和循环流速对H2O2生成速率的影响可忽略不计。由此,本文开发了一种新的VUV辐射强度测定方法,相对于传统的测定方法,新方法具有安全无毒、灵敏度高、检测程序简单、适用性广等优点。

       5种农药,包括涕灭威(ALD)、甲草胺(ALA)、地茂散(CHL)、灭虫威(MET)和莠去津(ATR),都能够有效地被VUV/UV降解,且降解反应都符合伪一级反应动力学。反应10 min后(VUV辐射剂量为12 mJ cm?2),它们的去除率分别达到了100%、100%、95.5%、98.2%和91.8%。由于VUV能够光解水产生强氧化剂——HO?, VUV/UV光降解农药的效率要比单独UV直接光降解效率高得多。ALD、ALA、CHL、MET和ATR与HO?的二级速率常数分别被测定为7.57 × 109、4.89 × 109、2.57 × 109、3.81 × 109和2.38 × 109 M?1 s?1。pH对不同农药的影响都不一样,无机离子(NO3?、Cl?、HCO3?)和天然有机物(NOM)会通过捕获HO?来抑制农药的VUV/UV光降解,而SO42?则表现出稍微的促进作用。反应30 min后,农药的矿化率仅为19.0%到42.7%之间,明显低于相应的去除率,但它们溶液的毒性明显下降。

      乐果(DMT)在VUV/UV处理过程中的伪一级反应速率常数为0.38 min?1,反应10 min后的降解率达到了97.8%;而在UV处理同样时间后,DMT的降解率仅为5.2%。当初始浓度小于或大于5 mg L?1时,DMT的VUV/UV光降解分别符合伪一级或伪零级反应动力学。当初始浓度大于50 mg L?1时,DMT的零级反应速率常数不再受到初始浓度的影响,由此可以测定DMT的VUV表观光量子产率为0.19。使用气相色谱/质谱联用(GC/MS)测定了9种DMT在VUV/UV降解过程中生成的中间产物,并提出了DMT的VUV/UV光降解机制。由于DMT的硫原子容易遭受攻击,SO42?的释放速率在降解反应开始时比PO43?高,但在反应6 h后两者的释放速率都达到了81%以上,含氮无机离子(NH4+、NO3?和NO2?)的释放率则达到了90.5%。

      在中试反应过程中,农药的VUV/UV降解也符合伪一级反应动力学,随着流速的增加,农药的去除率逐渐下降。无机离子和NOM同样会对农药的VUV/UV降解产生明显的抑制作用,但对于不同的农药表现出选择性的影响。水源的水质对VUV/UV降解农药有明显的影响,以源水作为进水时农药的去除率要明显低于砂滤水和炭后水。在砂滤水中VUV/UV降解农药的EEO(Electrical Energy-per-Order)值在0.27和1.52 kWh m?3 Order?1之间,而且不受溶液流速的影响。VUV/UV中试反应器连续运行80天后,所有农药去除率的下降幅度都小于10%。低EEO值和长期运行的稳定性验证了VUV/UV工艺在小规模供水中降解农药污染物的技术和经济可行性。

      新型VUV辐射强度测定方法的开发对于VUV反应器的设计、能耗的计算以及污染物降解速率常数的测定都具有很好的参考意义。VUV/UV降解农药的动力学、影响因素和过程机制的研究,则加深了对VUV/UV降解污染物过程的理解。最后,VUV/UV中试反应研究得出的数据和结论有助于VUV/UV工艺在小规模供水中的推广和应用。

语种中文
页码129
内容类型学位论文
源URL[http://ir.rcees.ac.cn/handle/311016/41566]  
专题生态环境研究中心_环境水质学国家重点实验室
推荐引用方式
GB/T 7714
杨腊祥. 真空紫外紫外降解饮用水中典型农药的机理和应用研究[D]. 北京. 中国科学院生态环境研究中心. 2018.
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