紫外和臭氧协同降解水中典型非甾体抗炎药的反应机制与路径研究

Non-Steroidal Anti-Inflammatory Drugs (NSAIDs) is a new type of organic pollutants in aqueous environment, which has attracted much attention in the recent years. Chemical treatments are effective methods to remove these pollutants from water. The domestic study on removal of NSAIDs by chemical methods is relatively limited. This is difficult to provide theory and data support for the selection and the optimization of the water treatment processes. This project is based on the typical NSAIDs in the water, and three types of combination processes bassed on UV and O3 (O3-UV, UV-O3, and UV/O3) were studied for the degradation of the typical NSAIDs. The specific contents include: revealing the general regularity of the removal of the typical NSAIDs by the combined processes of UV and O3; elucidating the main mechanism of the degradation of NSAIDs by synergy of UV and O3; deducing the possible degradation pathways of NSAIDs; proposing the structure-activity relationship between degradation products, degradation pathways and the molecular structures of NSAIDs . The results of this study can provide theory supports for the optimization of technical parameters of combination processes bassed on UV and O3, and for the selection of high-performance water treatment processes to remove NSAIDs from the water.

非甾体抗炎药是近年来水环境中备受关注的一类新型有机污染物，化学处理法是去除此类污染物的有效途径。目前国内关于化学法去除水中非甾体抗炎药的研究数据比较匮乏，难以为水处理工艺的选择和优化提供理论和数据支持。本项目以水环境中典型的非甾体抗炎药为研究对象，对三种基于UV和O3的组合工艺（O3-UV、UV-O3、和 UV/O3）降解此类药物的过程进行研究。具体内容包括：揭示基于UV和O3的组合工艺去除水中典型非甾体抗炎药的一般性规律；阐明UV和O3协同降解水中非甾体抗炎药的主导反应机制；推断非甾体抗炎药的降解路径；提出降解产物、降解途径与非甾体抗炎药分子结构之间的构效关系。研究结果为优化基于UV和O3的组合工艺的技术参数，筛选高效去除水体中非甾体抗炎药的水处理工艺提供理论支持。

非甾体抗炎药作为典型PPCPs类污染物，在我国水环境中被频繁检出，选择有效的水处理工艺强化去除水中此类污染物受到广泛关注。紫外（UV254）辐照和臭氧（O3）氧化是国内外水处理工艺中广泛应用的化学处理方法，二者特别适用于去除分子结构中含有不饱和键的有机物，是去除水杨酸、乙酰水杨酸、布洛芬等典型非甾体抗炎药的有效途径。. 本研究将单独UV、单独O3、UV/O3组合工艺应用于去除水中不同结构的非甾体抗炎药，详细考察了各工艺降解各药物效能和影响因素，分析降解动力学过程。研究发现，UV无法有效降解水杨酸和乙酰水杨酸，但对布洛芬有一定的降解效果；O3降解各药物的效果显著优于UV工艺，O3氧化和矿化水杨酸和乙酰水杨酸的效果非常接近，且明显优于降解布洛芬的效果；而UV/O3联用工艺氧化和矿化3种药物的效率显著高于两种单独工艺，且各药物降解效率差异不十分显著。pH（2-10）影响研究表明，弱酸性条件有利于O3降解各药物，相反，碱性条件有助于O3矿化各药物；但pH对UV/O3工艺降解和矿化各药物的影响作用小于对O3工艺的影响。HCO3-的存在能够抑制O3和UV/O3降解水杨酸和乙酰水杨酸的效果，抑制程度与HCO3-浓度有关，对于O3氧化布洛芬，反而有一定的促进作用。共存有机物的存在，对各工艺氧化各药物的效果有抑制作用。. 进一步定性定量分析了各工艺中各药物的反应副产物，苯环及其支链的羟基化产物是主要的反应初始副产物，在反应前5分钟生成量达到最大值并能快速氧化降解，生成多种小分子链状副产物，此类副产物无法被O3继续氧化降解，但可以被UV/O3有效矿化。依据副产物的结构和生成趋势，推断了各药物的降解路径，构建了有机物官能团与降解过程间的构效关系。重点阐明了UV和O3协同降解水中有机物的主导反应机制，深入探讨了UV/O3工艺中UV辐照、臭氧分子、羟基自由基在各药物及其副产物氧化和矿化方面所做的贡献。研究结果为优化基于UV和O3的组合工艺技术参数，筛选高效去除水体中非甾体抗炎药的水处理工艺提供理论支持。