应用辐照技术降解抗生素废水

γ射线辐照降解水中磺胺甲恶唑的效应及降解机理研究

辐照降解技术在环境污染治理、食品安全控制等领域均有广泛的研究与应用，但目前关于利用γ 射线辐照降解磺胺甲恶唑(sulfamethoxazole, SMX)的研究尚很少见报道。本试验通过研究SMX的初始浓度、不同溶剂等对SMX 在γ 射线辐照降解效果的影响, 以及SMX的辐照降解机理, 以期为应用辐照技术降解抗生素废水提供理论依据。

基金资助：

国家自然科学基金项目(41373023),江苏省“333高层次人才”培养对象项目,江苏省“青蓝工程”培养对象项目,江苏省研究生培养创新工程项目(SJZZ16_0157)

作者：王瑾瑾、郭照冰、祝胜男、沈潇雨、柏杨、任杰、赵永富;

【背景】

现代医疗现状是抗生素的种类与用量持续增长, 滥用药物的现象日益严重, 导致环境中残留的抗生素不断积累。其中, 磺胺类抗生素是一类广泛应用于人类医疗、畜牧养殖等行业的抗生素, 在环境中的降解速率较慢, 易残留。由于磺胺类抗生素半衰期较长, 所以经任何途径摄入的磺胺类药物均会在人体中蓄积, 破坏人体造血系统, 造成溶血性贫血症, 其中, 磺胺二甲嘧啶等甚至有潜在致癌性。此外, 磺胺类抗生素还会影响植物生长和土壤呼吸, 破坏生态环境。而磺胺甲恶唑(sulfamethoxazole, SMX)作为一种磺胺类抗生素, 同样不易被常规的污水处理方法去除, 研究表明, 污水厂出水中仍残留一定量的SMX, 在海洋、城市运河、地表水和沉积物中均检测到SMX。因此, 研究SMX的降解机理对生命安全与生态环境均具有重要的现实意义。

【摘要】

目前, 国内外降解水体中SMX的方法主要有：紫外辐照法，联合Fenton，O3、H2O2、或其他材料等高级氧化法，光催化法以及生物法。紫外辐照法是一种简便有效的方法, 但温和反应条件下的氧化速率不高, 矿化效果较差;高级氧化法可使有机物在温和反应条件下较快被氧化成中间降解产物, 但进一步的矿化效率不高; TiO2光催化法稳定性好, 无二次污染, 可完全矿化难于生物降解的污染物, 但粉末状TiO2价格高, 难以回收且运行费用高;好氧生物法所需成本高且处理效率低, 厌氧生物法相对能耗低、成本低, 但对操作技术要求较高。γ 射线辐照是具有广泛应用前景的一种氧化方法, 一方面γ 射线辐照直接作用在物质上造成开环或断键; 另一方面水经 γ 射线辐照产生氢原子(H· )、羟基自由基(· OH)、水合自由电子( eaq−eaq-)等活性粒子, 水中的污染物会与活性粒子发生一系列反应, 被降解甚至矿化为CO2和H2O;γ 射线辐照具有无额外污染、反应速率快、应用范围广等优点。

结论

γ 射线辐照能有效降解SMX，且SMX降解过程符合一级动力学模型;在相同辐照剂量条件下, 低浓度和酸性条件更能促进SMX降解;γ 射线辐照联合不同浓度的H2O2均会促进SMX降解, 但过量的H2O2会与 · OH反应造成H2O2无效分解, 从而削弱促进效果; 叔丁醇和异丙醇均会抑制SMX的γ 射线辐照降解, 异丙醇的抑制作用更强烈, 这与异丙醇和· OH反应的速率常数较高有关;SMX降解的主要途径是· OH氧化, 然后依次为H· 和 eaq−eaq-;γ 射线辐照可降低SMX的污染程度, SMX经γ 射线辐照降解后浓度和TOC浓度均有所减少。