UV/PS去除飲用水中亞硝基二丙胺的研究

2021-10-18 12:20毛莎丁春生朱榮輝王苗新

應(yīng)用化工 2021年9期

毛莎，丁春生，朱榮輝，王苗新

(浙江工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，浙江杭州 310014)

為了降低飲用水中含氮消毒副產(chǎn)物的含量，部分地區(qū)使用氯胺代替氯進(jìn)行消毒，從而產(chǎn)生新型的亞硝胺類(lèi)(NAms)N-DBPs[1]。NDPA作為一種新型的 N-DBPs，加拿大和美國(guó)水體中已檢測(cè)出該物質(zhì)[2-3]，美國(guó)EPA將其列為B2類(lèi)致癌物[4-5]。因此去除 NDPA 對(duì)提高飲用水安全系數(shù)具有現(xiàn)實(shí)意義[6]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

亞硝基二丙胺(NDPA)標(biāo)準(zhǔn)品、過(guò)硫酸鈉、亞硫酸鈉、鹽酸、氫氧化鈉、磷酸二氫鉀、磷酸氫二鉀、碳酸氫鈉、氯化鈉、硝酸鉀均為分析純；甲醇，色譜純。

LC-20A型高效液相色譜儀(HPLC)；HYG-Ⅱ Refrigerator shaker型恒溫振蕩器；UP-HW1-90T型超純水機(jī)；SB1000DTY型超聲波掃頻清洗機(jī)；DHG-9146A型恒溫干燥箱；Sension 3型pH測(cè)定儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

用甲醇配制2 g/L的標(biāo)準(zhǔn)NDPA儲(chǔ)備液，在 4 ℃ 下保存。實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。用去離子水將NDPA標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液(2 g/L)稀釋成200 μg/L濃度的反應(yīng)液，加入到放有轉(zhuǎn)子的反應(yīng)皿中，磁力攪拌，轉(zhuǎn)速500 r/min，溫度25 ℃，pH值7(磷酸鹽緩沖液)，加入0.05 mmol/L的PS，攪拌至均勻(1 min)，開(kāi)啟紫外燈(10 W，單波長(zhǎng)254 nm)40 min，分別進(jìn)行不同PS投加量、初始pH值、溶液初始濃度、共存陰離子實(shí)驗(yàn)。用注射器分別在2，5，10，15，25，40 min取 1 mL 反應(yīng)液，加入過(guò)量的NaSO3進(jìn)行淬滅后，通過(guò)液相HPLC測(cè)定NDPA剩余質(zhì)量濃度。

圖1 光解裝置示意圖[15]

1.3 分析方法

NDPA質(zhì)量濃度采用高效液相色譜儀(HPLC)測(cè)定。色譜柱型號(hào)為安捷倫C18柱(5 μm，4.6 mm×150 mm)，流動(dòng)相采用甲醇與水的體積比為 70∶30，檢測(cè)波長(zhǎng)為230 nm，流速為1 mL/min，柱溫為35 ℃。每次進(jìn)樣體積為80 μL，單個(gè)樣品的采樣時(shí)長(zhǎng)為5 min。以NDPA標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度為橫坐標(biāo)，出峰面積為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線(R2=0.999 8)。

數(shù)據(jù)用準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行擬合，其中k為準(zhǔn)一級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)，min-1，b為常數(shù)，c0為NDPA初始濃度，c為反應(yīng)t時(shí)間的NDPA濃度。

ln(c0-c)=kt+b

(1)

2 結(jié)果與討論

2.1 PS投加量對(duì)NDPA去除效果的影響

當(dāng)NDPA的濃度為200 μg/L，反應(yīng)時(shí)間為 40 min，紫外光照強(qiáng)度為168 μW/cm2，反應(yīng)溫度為25 ℃時(shí)，PS投加量對(duì)NDPA去除率的影響見(jiàn)圖2。

圖2 PS投加量對(duì)去除NDPA效果的影響

以圖2數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行一級(jí)動(dòng)力學(xué)線性擬合，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同PS投加量的一級(jí)動(dòng)力學(xué)擬合結(jié)果

由表1可知，PS投加量在0.02，0.05，0.1，0.2 mmol/L 時(shí)，符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)。增大PS投加量，使過(guò)硫酸鹽形成較高的氧化水平，進(jìn)而反應(yīng)速率常數(shù)(k)不斷增大，因此對(duì)NDPA的去除起促進(jìn)作用。

2.2 初始濃度對(duì)NDPA去除效果的影響

PS的投加量為0.05 mmol/L，反應(yīng)時(shí)間為 40 min，紫外光照強(qiáng)度為168 μW/cm2，反應(yīng)溫度為25 ℃時(shí)，NDPA初始濃度對(duì)NDPA去除率的影響見(jiàn)圖3。

圖3 NDPA初始濃度對(duì)去除NDPA效果的影響

由圖3可知，隨著NDPA的初始濃度增加，NDPA 的剩余質(zhì)量濃度加大，抑制NDPA的去除。當(dāng)NDPA的初始濃度由100 μg/L增加到400 μg/L時(shí)，NDPA的去除率由81.8%降低到63.8%。NDPA 的初始濃度在100 μg/L和200 μg/L時(shí)，對(duì)NDPA去除效果影響不大，NDPA的初始濃度在 200 μg/L 時(shí)，液相響應(yīng)值較好，故選取最佳初始濃度為 200 μg/L。NDPA的初始濃度不斷加大，PS氧化劑投加量為一定值時(shí)，NDPA分子以及轉(zhuǎn)化產(chǎn)物將共同競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)自由基，使得降解NDPA的反應(yīng)自由基減少，從而出現(xiàn)NDPA的剩余質(zhì)量濃度增大現(xiàn)象[15]；另外，高濃度的NDPA含量，增大紫外光吸收強(qiáng)度，降低紫外光光子在溶液中的傳遞效率，從而抑制PS對(duì)紫外光的吸收，使得降解NDPA的反應(yīng)自由基減少[3，16]。

以圖3數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行一級(jí)動(dòng)力學(xué)線性擬合，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 初始濃度一級(jí)動(dòng)力學(xué)擬合結(jié)果

由表2可知，NDPA初始濃度在100，200，300，400 μg/L時(shí)，其反應(yīng)符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)，即NDPA初始濃度與k值具有一定的線性關(guān)系，并且隨著NDPA初始濃度的不斷增大，反應(yīng)速率常數(shù)k值不斷減小，可能是由于低劑量的PS，所產(chǎn)生的活性自由基數(shù)量一定以及PS與UV照射的接觸機(jī)會(huì)減少而引起的。