高铁酸钾控制水体典型抗生素与重金属复合污染的研究

【摘要】：水中抗生素和重金属复合污染频繁出现。由于抗生素与重金属离子的相互作用,改变了二者的物理化学性质、迁移转化规律和生态毒性效应,给常规水处理带来更大的挑战。高铁酸钾不仅具有较强的氧化能力,其分解形成的氢氧化铁还可以作为吸附剂去除重金属离子。因此,本文采用高铁酸钾来控制水中四环素(TC)和重金属离子的复合污染,探究高铁酸钾同步去除TC和铜离子的效能及影响因素,并利用试验与理论计算相结合的方法探讨了高铁酸钾同步去除TC和铜离子的机理。在此基础上,研究了强化高铁酸钾去除能力的方法。在单污染体系中,高铁酸钾(50μM)对TC(10μM)和铜离子(10μM)的去除效果较好,但对镉离子(10μM)的去除效果差。在复合污染体系中,高铁酸钾对TC和铜离子的去除效果变差,TC的去除率从82.5%降至79.7%,铜离子的去除率从63.6%降至19.3%。在两个体系中,TC和铜离子的去除均主要发生在前1 min。另外,高铁酸钾去除TC和铜离子的效果受TC和铜离子初始浓度、高铁酸钾投量、p H、温度和水质背景成分的影响较大。通过液相色谱-质谱(LC-MS)分析及密度泛函理论(DFT)计算,高铁酸钾对复合污染体系中TC的去除机理包括吸附和氧化两种作用。铜离子可与TC结构中C11和C12上的O原子、或者C3上O原子和C4上N原子配位络合。铜离子络合后既可引起静电相斥效应抑制TC被吸附,又可阻碍电子转移抑制TC被氧化。络合作用降低TC的最高占据分子轨道(HOMO)能量值和电子云密度,改变高铁酸钾攻击位点的选择,阻碍高铁酸钾氧化TC的反应。通过X射线光电子能谱(XPS)表征分析,TC与铜离子的络合作用既抑制铜离子的沉淀去除,又能引起空间位阻抑制铜离子的吸附去除。在强化高铁酸钾同步去除TC和铜离子的研究中,添加Mn~(2+)、生物炭、活性炭、Fe~(3+)和聚合氯化铝(PAC)均可提高对铜离子的去除效果,添加活性炭或PAC均可同时提高对TC和铜离子的去除效果。