污泥基活性炭催化臭氧去除水中微量稳定性药物效能与机制

药物是近年来在水环境中不断出现的一类对人体健康和水生生态安全具有潜在威胁的新型高风险污染物。研究表明，城市污水排放是药物向地表水环境暴露的主要原因之一，然而目前仍缺乏有效的控制技术。以剩余污泥为主要原料制备的污泥基活性炭因其表面官能团和金属元素种类丰富，在催化臭氧去除稳定性药物方面表现出了优于商品活性炭的效果，但其催化反应活性位与反应机制尚不清楚。本课题拟选取水环境中经常暴露的两种稳定性药物（布洛芬和苯扎贝特）为探针药物，研究污泥基活性炭催化臭氧去除两种探针药物的效能与机制，重点考察污泥基活性炭表面官能团、表面金属元素种类与形态对污泥基活性炭催化臭氧去除水中两种探针药物的作用与影响，通过对污泥基活性炭表面性质的全面表征以及反应过程中活性物种的检测，揭示污泥基活性炭催化臭氧氧化去除探针药物的催化活性位与反应机制，为污泥基活性炭催化剂的制备及其催化臭氧除污染工艺的提出和完善奠定科学的理论基础。

以城市污水处理厂剩余污泥为主要原料制备的污泥基活性炭（SAC）在催化臭氧氧化去除稳定性药物方面表现出了优于市售商品活性炭的效果，但其催化反应活性位点与反应机制尚不清楚。针对此问题，本项目以SAC为催化剂，考察了其催化臭氧氧化去除水中探针药物，包括布洛芬（Ibuprofen，IBP）、苯扎贝特（Bezafibrate，BZF）和对氯苯甲酸（p-chlorobenzoic acid，p-CBA）的效能，并对其催化反应活性位点和反应机理进行了深入的研究和探讨。研究结果表明，SAC催化臭氧氧化工艺提高了对IBP和p-CBA的去除率，在反应的初始阶段（0～5 min），SAC催化臭氧氧化工艺对IBP和p-CBA的去除率要远高于单独臭氧氧化和SAC吸附二者作用之和。针对容易被臭氧氧化的苯扎贝特的去除，SAC催化臭氧氧化工艺并无优势。当臭氧投量为0.5 mg•L-1，反应时间40 min时，BZF的去除率反而由89.1%降低至75.1%，这表明SAC催化臭氧氧化工艺适用于难以被臭氧氧化的药物（如IBP（kO3= 9.6±1.0 M-1•s-1），p-CBA（kO3=0.15 M-1•s-1）等）。SAC催化臭氧氧化对探针药物的去除率随臭氧浓度的增加和目标物初始浓度的减小而增加，在一定范围内增加催化剂的投量，可以增加探针药物的去除率。反应体系中共存物质如腐殖酸（Humic acid，HA）、重碳酸盐、氯离子、硝酸根、硫酸根等对SAC催化臭氧氧化去除探针药物效能的影响规律各不相同。HA浓度较低时可以促进SAC催化臭氧化降解IBP，浓度较高时则会与IBP产生竞争抑制。SO42-、Cl-、HCO3-会明显抑制SAC催化臭氧氧化去除IBP，而NO3-几乎不对SAC催化臭氧化IBP的效果产生影响。通过对SAC进行改性处理（去矿化处理、氧化改性、碱改性、还原改性），探讨了SAC催化臭氧氧化反应的主要活性位点。结果表明，去矿化后SAC表面金属组分大幅减少，对IBP的去除率低于SAC；氧化改性的SAC表面碱性官能团未检出，还原改性和碱改性的SAC表面碱性官能团含量均高于SAC，二者催化臭氧氧化对IBP的去除率均高于SAC，说明SAC表面金属和碱性官能团是SAC催化臭氧氧化的主要催化活性位点。叔丁醇的加入很大程度上抑制了SAC对IBP的去除效果，说明SAC催化臭氧氧化工艺遵循羟基自由基反应机理。