水体中典型环境药物的光催化转化动力学及其机理研究

为了有效了解环境水体中典型药物的降解机制, 模拟研究药物在自然水体中光降解的反应机理, 本课题选取三类11种典型环境药物作为目标化合物, 探讨以光催化为代表的深度氧化技术对其氧化矿化的可行性；研究其在光照下产生的羟基自由基和水合电子与典型药物反应的动力学, 并通过对环境中常见羟基自由基和水合电子与典型药物绝对反应动力学常数的测定, 探讨其绝对速率常数与光催化降解表观速率常数之间的关系；利用HPLC/MS/MS及核磁共振分析鉴定光催化的中间产物,并利用Gaussian软件对典型药物的前线电子云密度和光催化氧化中间产物的过渡态理论计算，将理论化学计算数据与实际试验结果相结合, 找出羟基自由基攻击的活性位点及典型环境药物光催化降解的一般规律；系统研究光催化降解典型环境药物的反应机理, 了解典型环境药物在水体中降解的难易程度,为环境水体中典型药物的迁移、转化、归趋和光降解提供详细的理论和实验依据。

环境药物广泛存在于环境水体中，对水生生态系统和人类健康具有巨大的潜在危害。因此，为了清晰了解水体中典型环境药物的迁移转化和降解机制，模拟研究环境药物在自然水体中光化学与光催化降解的反应机理, 本课题选取了五大类共14种环境药物，如氟喹诺酮类4种(环丙沙星，洛氟沙星，左氧氟沙星和洛美沙星)、β-阻滞剂类3种(阿替洛尔，美托洛尔和普萘洛尔)、磺胺类3种(磺胺氯哒嗪，磺胺吡啶和磺胺异恶唑)、抗癫痫类1种(扑米酮)、抗病毒药物1种(拉夫嘧啶)和尿嘧啶核苷1种及其邻苯二甲酸甲酯等新兴污染物作为目标化合物，系统探讨了以光催化为代表的深度氧化技术对水体中这些环境药物的光化学转化及其氧化矿化的可行性，并对其光催化转化机理进行了一定的研究。首先利用脉冲辐射技术测定了一系列典型环境药物与环境水体中常见的•OH和水合电子等活性自由基反应的绝对反应动力学；实验得到它们的速率常数均在109和1010之间，由此预测大多环境药物均具有在环境水体中进行光化学转化以及深度氧化的可能性。此次选择光催化作为深度氧化技术的代表，验证了典型环境药物光催化深度氧化降解的可行性，并通过活性自由基淬灭实验探讨了不同的活性物种如•OH和水合电子等对典型环境药物深度氧化降解动力学的影响，初步阐明了光催化等深度氧化体系中不同活性物种对其降解动力学的贡献。最后利用现代HPLC和HPLC/MS/MS分离技术对光催化降解典型环境药物的中间产物进行了分离和初步鉴定，进一步通过HPLC柱分离技术与核磁共振技术对其降解的产物进行进一步的验证和确认，并利用Gaussian软件中的DFT理论计算得到的前线电子云密度以及环境药物反应初始氧化活性位点信息，然后通过将试验中分离出来并经过核磁共振技术表征的中间产物与DFT理论化学模拟得到的化学产物的信息相结合，系统阐明了典型环境药物光催化深度氧化降解的一般规律，即水体中•OH自由基加成或者光生空穴的氧化攻击是大多数典型环境药物降解的两条主要初始途径，而水体中其他活性物种如水合电子等自由基对环境药物降解的贡献比较小。不过环境药物本身及其降解中间产物最终都能够被完全脱毒矿化为二氧化碳，水和其他无机离子（NH3/NH4+, NO3-, SO42-）。通过本项目的研究，希望能够初步预测水体中一般环境药物的迁移转化和降解的动力学与反应机理，能够为其在环境中的迁移、转化和归趋提供一定的理论和实验依据。