下载:
-
四环素类抗生素（TCs）是目前使用最广泛、用量最大的抗生素种类之一，包括四环素（TC）、金霉素（CTC）、土霉素（OTC）等，这些抗生素除广泛用于医疗外，还作为兽药和促生长剂用于畜禽和水产养殖业[1]。但随着抗生素的大量使用，造成环境中抗生素的大量残留，并对生态环境和人群健康造成严重的威胁。因此，抗生素污染已成为目前亟待解决的重要环境问题之一。
活化过硫酸盐（PS）氧化法是近年来迅速发展起来的一类新型高级氧化技术，它是借助外加能量或催化剂的方式使过一硫酸盐（PMS）和过二硫酸盐（PDS）的过硫酸根中的双氧键O—O发生断裂，生成具有一对孤对电子的硫酸根自由基（
${\rm{SO}}_4^{-}\cdot $ ）[2]。该自由基相比于PS本身具有更高的氧化还原电位（E0=2.5 —3.1 V）以及良好的反应活性，实现了对有机污染物的完全氧化降解[3]。PMS和PDS在活化机制上有所区别，其差异主要是由于分子结构中的过氧键对称性，PDS中过氧键在电荷分布上是对称的，而PMS过氧键两侧的电荷分布是不对称的，更容易受到各种亲核试剂的亲核攻击。PMS和PDS之间的结构差异会导致特定激活过程的差异。由于不对称分子结构，PMS被过渡金属更有效地活化以生成${\rm{SO}}_4^{-}\cdot $ 。通过介导的电子转移机理，PMS在含碳材料和贵金属催化剂氧化有机物方面也比PDS更有效。相比之下，因为较低的键解离能，PDS比PMS能更有效地被能量因子激活。此外，由于过氧化物连接基的两个侧面上都存在两个SO3部分而导致的空间位阻也使得PDS与PMS相比，对所选有机物的反应性降低[3]。活化PS氧化法凭借其氧化性强、反应速率快及对水质适用范围广等特点，备受国内外研究学者的青睐。近几年来国内外应用活化PS氧化处理各类抗生素废水的研究主要集中在活化材料的制备、活化PS产生自由基的机制、抗生素废水的处理效率及影响因素等方面[4-7]。国内外多位学者对活化过硫酸盐高级氧化技术在水处理中的研究进行了综述，但目前未见过硫酸盐活化技术应用于抗生素降解方面研究现状的总结。本文系统地梳理了近几年以来国内外利用各种常规及新型方法活化PS氧化降解TCs的理论及应用研究成果，以期为活化PS高级氧化技术在抗生素废水处理中的进一步应用提供理论指导。
-
过渡金属活化PS可以在常温常压下进行，且反应迅速、操作简便，被认为是活化效果最好的一种活化方式，但同时在反应过程中也存在着过渡金属易团聚、重复利用性差和金属离子流失等问题[7-8]。Rama等[9]对比了均相（Fe2+）和非均相（Fe0）催化剂活化PMS降解CTC的效果，发现在均相反应中，过量的Fe2+离子消耗了
${\rm{SO}}_4^{-}\cdot $ 而导致降解效率低下；而在非均相反应中，Fe2+离子的缓慢生成和再生有助于去除90%以上的CTC，表明非均相催化剂在活化PMS氧化降解有机污染物中似乎更有优势。铜氧化物能够有效活化PMS降解有机污染物，但因不具有磁性难以分离和循环利用，而单独的氧化铁则活性较低，因此可将铜铁形成双金属氧化物，以弥补单一氧化物的不足[10]。利用共沉淀法制备的Fe/Cu双金属非均相催化剂具有较大的表面积和发达的孔隙空间，可提供更多的催化活性位点，能高效活化PMS并通过水解、脱甲基、脱羟基和脱氨基作用完成对TC的降解与矿化，出水的生物毒性几乎可以忽略[11]。在Wu等[12]制备的新型的中空非晶态CoSx六角笼状物中，Co和S元素均匀地分布在空心六角笼和由CoSx组成的非晶态笼中，该材料具有较大的比表面积，同时具有元素多样性，能有效地活化PMS降解TC，降解性能明显优于Co3O4、Fe3O4以及常规的Co3O4-Fenton反应（图1），${\rm{SO}}_4^{-}\cdot $ ，·OH和1O2自由基都对TC的降解起了作用，${\rm{SO}}_4^{-}\cdot $ 起主要作用，其次是1O2和·OH，TC通过脱酰胺、羟基化和开环反应两种方式被氧化。 -
负载型金属催化剂是将具有催化功能的金属或金属氧化物负载在炭质材料上，该催化剂不仅能显著提升其催化活性，还可以明显减少游离金属离子的产生量，提高催化剂的实用性。近年来，生物炭（BC）作为催化剂载体被广泛应用于活化过硫酸盐高级氧化过程中。Van等[13]研究了钴浸咖啡渣生物炭（Co-SCG）非均相活化PMS氧化TC的可行性，结果表明Co-SCG是一种高效、环保的PMS活化催化剂，可用于深度氧化去除水中TC。膨胀石墨具有比表面积大、表面活性高、化学稳定性好及耐高温等诸多优点，也是众多催化剂的理想载体。徐睿等[8]用浸渍加焙烧制的方法将CuO均匀地附着在膨胀石墨表面，该复合材料可在20 min内活化PMS降解初始浓度为10 mg·L−1的TC，
${\rm{SO}}_4^{-}\cdot $ 是该体系主要的活性自由基。降解机理如下：首先，TC被吸附到催化剂表面；PMS与催化剂表面的Cu（Ⅱ）反应，生成表面Cu（Ⅰ）并进一步催化PMS产生${\rm{SO}}_4^{-}\cdot $ ，同时Cu（Ⅰ）又被氧化为Cu（Ⅱ）；过量SO4•−与OH−反应生成·OH；最后，${\rm{SO}}_4^{-}\cdot $ 和·OH进攻吸附在催化剂表面的TC并实现原位降解。Ren等[14]设计了三维氮掺杂氧化石墨烯气凝胶（3D-N-rGA），并通过水热方法与CoFe2O4纳米粒子固定，以活化PMS降解TC。氮掺杂到石墨烯网络结构中，可以通过弱化O—O键，生成新的活性位点，并通过协同效应起到良好的电子桥作用，有效地提高了CoFe2O4的催化活性。该催化剂活化PMS以降解四环素的机理主要是，Co2+和Co3+以及Fe2+和Fe3+进行相互转换，衍生的HSO5−被激活以产生${\rm{SO}}_4^{-}\cdot $ 并进一步转化，以生成∙OH，${\rm{SO}}_4^{-}\cdot $ 和∙OH攻击和破坏TC结构，以形成中间产物。在该材料的催化下，TC的降解率仅在10 s内高达85%，循环使用5次后降解率仍然可保持在90%以上。 -
炭质材料在活化PS过程中反应条件温和，性质稳定，并且无需外加能量及引入金属离子等，同时呈现出廉价、节能和环境友好的特点，彰显出巨大的催化潜力和应用前景，已经证实炭质材料中的含氧官能团可以有效地促进PMS的活化[15]。Pham等[16]以稻壳废弃物为原料制备的生物炭（RBC）其缺陷结构中的电子可以激活PMS，以提供∙OH和
${\rm{SO}}_4^{-}\cdot $ 作为氧化物种攻击TC，然后将其降解转化为CO2和H2O。在使用5个循环后，去除率损失小于15%。炭质材料活化PMS处理环境污染物可有效避免金属催化剂的浸出问题和可能的环境风险，正逐渐成为新一代绿色催化剂。 -
紫外光（UV）可激活PDS使过氧键（O—O）断裂产生
${\rm{SO}}_4^{-}\cdot $ （S2O82−+UV→2${\rm{SO}}_4^{-}\cdot $ ），而且自由基量子产率高，能量消耗较低且避免二次污染；但对辐射源功率要求较高，且UV光具有低渗透性，实际应用中易受到水或土壤等基质中其他成分干扰[15]。研究发现UV/PDS联用工艺对CTC的降解速率远远高于单独UV工艺和单独PDS处理[17]。一方面，PS氧化还原电位较低，不能直接破坏CTC的分子结构；另一方面，UV与PS工艺产生了协同作用，PS经紫外激活产生的${\rm{SO}}_4^{-}\cdot $ 具有较强的氧化能力，从而使得CTC快速降解。253.7 nm的短波紫外线（UVC）由于其高能量，可促进PS的活化和对TC的裂解，重排。UVC/PS体系中UVC光解、∙OH和${\rm{SO}}_4^{-}\cdot $ 对TC降解的贡献分别为5.91%、61.97%和28.11%，TC的降解途径包括羟基化、去甲基化、脱羰基化、光环化、脱水和CN键断裂[18]。Liu等[19]利用UV-254 nm活化PDS降解OTC，发现在接近中性的条件下（pH5.5—8.5）的降解效率最高，降解机理包括羟基化、脱甲基、脱羰基和脱水反应。扶咏梅等[20]研究发现，波长小于270 nm的UV与PDS联用工艺能完全去除废水中初始浓度为15.0 mg·L−1的TC，并将TC最终转化对苯醌、硝基苯、小分子有机酸性、二氧化碳等。 -
电化学活化PDS是将电化学和活化PDS结合起来的一种新型降解方式，反应体系中电化学降解和自由基氧化共同存在，且PDS可以在阳极再生，这将使强氧化剂S2O82−和
${\rm{SO}}_4^{-}\cdot $ 被源源不断地产生，从而快速有效地降解污染物，具有可循环利用性，环境友好性，运行成本较低等优点，近年来受到了普遍的关注[21]。武海霞等[22]采用响应曲面法对介质阻挡放电激活PDS降解TC的效果进行分析，结果表明影响TC去除率大小因素的顺序为放电电压>PS投加量>溶液初始pH值，最佳条件下TC的去除率达95.9%。自由基鉴定结果显示，初始溶液为酸性时的主要自由基为${\rm{SO}}_4^{-}\cdot $ ，溶液为近中性时的主要为${\rm{SO}}_4^{-}\cdot $ 与∙OH，碱性条件下的主要为∙OH。Liu等[23]采用电解-PDS氧化联用的方法去除水溶液中的盐酸金霉素（TCH）。在PDS浓度12.6 mmol·L−1，电流密度13.33 mA·cm−2时50 mg·L−1的TCH在4 h内去除率为81.1%。在Pt阳极上，水放电吸附的∙OH可以氧化TCH，在Pt阴极，PDS可通过被电激活以生成${\rm{SO}}_4^{-}\cdot $ ，${\rm{SO}}_4^{-}\cdot $ 和∙OH将TCH共同矿化。Tang等[24]发现在气相表面放电等离子体中，PDS的加入具有明显的协同效应，其协同作用的机理可能与放电等离子体中PDS活化产生的氧化自由基的增加有关，同时增加外加电压有利于促进TC的降解，最终TC被转化为CO2、H2O、${\rm{NH}}_4^{+} $ 和${\rm{NO}}_3^{-} $ 等无机小分子。 -
超声（US）作为一种绿色、高效的新兴激活方法，与紫外线、臭氧氧化相比，该工艺更清洁、更安全，并具有在环境条件下运行的优点；但不足是需要能耗大，难以大量工业化应用。近年来在废水处理中得到了越来越多的关注。US利用空化气泡的崩溃作用导致液体局部发生高温高压并经振动产生搅拌，在物理、化学共同作用下活化PDS产生
${\rm{SO}}_4^{-}\cdot $ 和∙OH，US还能增加自由基和污染物之间的碰撞次数，提高降解效率。Simin等[25]研究发现，相比于仅单独使用PDS和US处理，二者联合应用可显著提高TC的降解率，其降解率随US功率的增大而增大。在S2O82−浓度为4 mmol·L−1、US频率为35 kHz、US功率为500 W的条件下，反应120 min后可去除96.5%的TC。Gholam等[26]对US活化PDS法降解TC的操作参数进行优化，响应面分析结果显示pH值、PDS浓度和反应时间对反应有显著的正效应，而TC浓度对反应有显著的负效应，TC的初始降解途径包括N-甲基、羟基和氨基的脱去，其中脱N-甲基是基于${\rm{SO}}_4^{-}\cdot $ 的逐步攻击的结果，依次形成4-去甲基四环素和4-去二甲基四环素。 -
热活化PS氧化是一种操作简便，实际应用性较强的活化技术，主要是通过热激发产生能量，使PDS内O—O断裂产生
${\rm{SO}}_4^{-}\cdot $ ，一般只需通过控制温度来调节活化效果，被认为是一种清洁型污染物处理技术。在实际原位氧化修复的过程中，需要特定的设备进行修复，会在一定程度上加大成本[4, 27]。在热活化PDS氧化体系中，温度的升高显著提高了TC的降解速率，在40 ℃时，约70%的TC在240 min后降解；而在70 ℃时，TC在30 min内即可完全消除[28]。TC的转化途径主要包括N-脱甲基、羟基化-氧化和脱水反应。相同条件下，热活化PS对3种TCs的降解顺序为OTC > CTC > TC。然而需要注意的是，较高的温度也可能促进自由基之间以及自由基和非目标物之间的反应，从而降低目标污染物的去除效率。 -
过渡金属可在常温下活化PDS生成能降解抗生素的自由基，PDS的过渡金属活化主要包括过渡金属离子活化即均相反应体系，以及过渡金属单质及固体氧化物活化即非均相反应体系。相对于其他过渡金属离子，Fe2+高效无毒且廉价易得，是广泛应用的过渡金属离子活化剂[29]。一些研究表明Fe2+/PDS体系对TC的去除有较好的效果，适量的Fe2+将促进S2O82−生成
${\rm{SO}}_4^{-}\cdot $ 从而提高降解率，但过量时Fe2+会与${\rm{SO}}_4^{-}\cdot $ 反应，对反应产生抑制作用。分子探针法实验结果表明，Fe2+/PDS体系中产生的自由基为${\rm{SO}}_4^{-}\cdot $ 和∙OH，其中${\rm{SO}}_4^{-}\cdot $ 起主要作用[30-31]。在磁性可分离的Cu/CuFe2O4复合材料与PDS组成的体系中，TC降解的可能机理为[32]：Cu0可作为促进PDS分子与Cu/CuFe2O4催化剂间电子转移的电子桥，还可以被PDS氧化释放Cu+离子进而激活PDS产生${\rm{SO}}_4^{-}\cdot $ ；CuFe2O4表面的Cu（I）和Cu（Ⅱ）能与PDS反应产生${\rm{SO}}_4^{-}\cdot $ ，生成的Cu（Ⅲ）能与H2O反应生成∙OH自由基；CuFe2O4表面的Fe（Ⅲ）能与Cu（I）或HSO5−反应生成Fe（Ⅱ）物种，进而激活PDS或HSO5−生成${\rm{SO}}_4^{-}\cdot $ ；Cu（Ⅲ）与Fe（Ⅱ）的反应实现Fe（Ⅲ）和Cu（Ⅱ）的循环；此外，${\rm{SO}}_4^{-}\cdot $ 可与H2O或OH−反应生成·OH（图2）。最后，原位生成的${\rm{SO}}_4^{-}\cdot $ 和∙OH自由基可以氧化TC分子。Ouyang等[33]合成了可变银含量的银掺杂铋铁氧体（Agx-BiFeO3）催化剂，并将其作为多相催化剂用于TC的PDS活化降解，结果发现Ag0.4-BiFeO3催化剂的催化性能最好，其中Ag对PDS活化有显著的影响。在该体系中，自由基清除实验表明
${\rm{SO}}_4^{-}\cdot $ 和∙OH都参与了催化反应，但·OH起到更关键的作用。同时反应中存在两种可能的初始降解途径：路径1中TC首先发生N-去甲基化反应，然后被氧化成两种产物；路径2先发生羟基化反应，然后发生N-脱甲基和脱CONH2反应[33]。 -
金属氧化物纳米颗粒与颗粒间的相互作用有很强的团聚倾向，这会降低纳米粒子的比表面积、分散稳定性和催化活性等特性。克服这些问题的一个有效途径是将金属纳米颗粒引入到多孔支撑材料中，用以活化PDS降解有机污染物，不仅显著改善催化剂性能，提高污染物降解效果，还能减少游离金属离子的产生量。Xia等[34]采用液相还原法将纳米Fe0固定在介孔碳（MC）上活化PDS，在纳米Fe0/MC/PDS体系中，Fe0和Fe2+均可以活化PDS反应生成
${\rm{SO}}_4^{-}\cdot $ ，进而与H2O反应生成·OH，反应30 min后，体系中的TOC被去除93.2%，这意味着TC几乎完全被矿化成无害的最终产物，TC降解途径如图3所示。Ahmad等[35]以活性炭（AC）包覆Fe3O4纳米铁与PDS共存体系吸附和降解污染水样中的TC，与AC、Fe3O4、AC@Fe3O4、PDS、Fe3O4/PDS等不同系统组合相比降解效率有了很大的提高，处理后水样的生物可降解性也得到了改善，且经过连续5个周期的反应，TC、TOC和COD的去除率分别达到93.2%、38.8%和46.2%以上。Zhu等[36]采用一锅热解法制备了包裹着Fe3O4/Fe0/Fe3C纳米粒子的多孔碳化聚多巴胺纳米球复合材料（Fe@C-PDA），Fe3O4/Fe0/Fe3C纳米粒子与N掺杂C-PDA的协同作用，使该催化剂对TC分解具有良好的催化活性：TC和PDS首先吸附在Fe@C-PDA表面，导致催化剂周围反应物的富集；Fe3O4/Fe0/Fe3C纳米颗粒具有不同的化学价态，有利于电子的转移并作为活化PDS的活性位点，N掺杂位点也加速了PDS活化的电子转移。近年来，生物炭（BC）作为催化剂载体被广泛应用于活化过硫酸盐高级氧化过程中。研究发现，锰掺杂磁性生物炭（MMBC）的催化性能会受到热解温度和Mn掺杂量的影响，其表面含氧官能团、材料的缺陷结构和铁锰氧化物为活化PDS提供了活性位点，对TC的去除效率可达到93%，且MMBC优异的磁性使其具有良好的可重复利用性，不会对环境造成二次污染，电子自旋共振和猝灭结果表明，MMBC-PS体系中产生
${\rm{SO}}_4^{-}\cdot $ 和·OH，其中·OH为主要自由基（图4）[37]。Pi等[38]发现氧化生物炭负载磁铁矿颗粒（OBC-Fe3O4）表面丰富的含氧基团和Fe3O4颗粒都可以活化PDS产生
${\rm{SO}}_4^{-}\cdot $ ，并通过自由基和非自由基途径将TC经双键氧化、脱二甲胺、脱水、分子内缩合、芳香环氧化和裂解等反应而降解为H2O和CO2，其催化效率与催化剂上碳杂化的固有原子排列、缺陷位置和持久自由基有关（图5）。将掺Cu的FeOOH负载到花生壳生物炭上制备成复合材料与20 mmol·L−1 PDS复合处理120 min后，TC去除率达98.0%，且连续循环使用5次后，去除率仍保持在90%以上。自由基猝灭和捕获实验表明，${\rm{SO}}_4^{-}\cdot $ 主要存在于酸性条件下，而·OH则存在于碱性条件下[39]。在制备的氮铜共掺生物炭材料（N-Cu/BC）上具有片状的碳结构，其表面附着类海胆铜，为催化反应提供了足够的活性中心和丰富的官能团；在该体系中，·OH起着主要降解作用，催化剂表面TC和PDS之间的电子转移也能导致非自由基反应[40]。然而，通过生物发光抑制法对TC及其中间产物的毒性评价结果显示，降解产物的毒性会随着TC的降解而增加。金属有机骨架（MOFs）材料是一类有机-无机杂化晶体材料，具有孔隙率高、比表面积大、可功能化修饰及高耐化学性等特点，由MOFs碳化得到的含碳金属氧化物材料不但保留了MOFs的特性，而且在水环境中更加稳定，是一类非常有潜力的高级氧化催化剂。张霄等[41]利用含铜金属有机骨架材料（Cu-MOFs）通过碳化得到了CuO@C催化剂，活化PDS对浓度为20 μmol·L−1的TC的去除率可以达到90%，反应过程中产生的
${\rm{SO}}_4^{-}\cdot $ 和·OH均起到降解TC的作用。污水处理过程中产生的污泥富含碳质和铁、硅等无机元素，张志旭[42]利用废水污泥制备磁性多孔炭材料（MPC），分析发现S2O82−可以通过氢键结合氧元素形成的硅氧烷桥吸附在MPC的SiO2组分上，进一步增加S2O82−在MPC表面的吸附量，从而促进了自由基对吸附在MPC上的TC的氧化，且在pH=7时主要的自由基为∙OH和
${\rm{SO}}_4^{-}\cdot $ ，而pH=10时主要为∙OH在起作用。Wei等[43]采用一锅法制备的含缺陷结构的改性污泥生物加氢炭表面具有分散的铁和大量的表面有机官能团，是一种优良的活化PDS的改性生物质炭材料。该材料不仅能在较宽pH值（2—10）范围的下使用，经过5轮重复使用后的降解率仍保持在94.70%。${\rm{SO}}_4^{-}\cdot $ 和∙OH对TC降解的贡献分别为51.87%和33.32%，主要初始反应为芳环的裂解和N-脱烷基化过程。 -
炭质材料凭借其比表面积大、孔隙结构发达、化学稳定性好等独特的结构特点和优异的性能使其在水处理中都有着广阔的应用前景。有发现炭材料可作为电子传递剂的活化剂，可有效活化PDS并在炭颗粒表面产生大量的
${\rm{SO}}_4^{-}\cdot $ ，达到降解有机污染物的目的。其中，利用牲畜粪便作为炭材料的前体进行污染物处理是一种较为经济的选择，Feng等[44]以猪粪为前驱体700 ℃下制备的有序氮掺杂介孔碳材料，表现出良好的的吸附和催化氧化能力，可通过非自由基途径对TCH快速降解，TCH经开环反应生成简单的小分子化合物，最终都被完全矿化。 -
越来越多的研究表明，外加能量辅助催化剂活化可以有效的弥补单一活化效果的不足，提高PDS的氧化降解效率。其中超声波与催化剂的非均相氧化反应相结合被认为是提升活化PDS降解效率的有效方式。冯逸等[45]采用沸石负载纳米Fe3O4作为非均相催化剂，在US辅助的条件下活化PDS对TC进行降解，US的存在可以增加热能，从而提供更多的∙OH或
${\rm{SO}}_4^{-}\cdot $ ，同时保持沸石负载纳米Fe3O4表面不被中间产物所占用，可以提供更多的活性位点以降解TC。Hou等[46]研究了US辐照下磁铁矿（Fe3O4）活化PDS对TC的降解效率远高于其它条件下的降解效果，这是由于在环境温度下PDS可以被Fe3O4激活产生${\rm{SO}}_4^{-}\cdot $ 。此外，在US辐照过程中，空化气泡的溃灭导致局部高温高压，从而加速氧化性自由基的生成，因此四环素的降解是声化学和四环素催化降解之间的明显协同效应的结果。Akbar等[47]对比了PDS、PDS+Ag、PDS+US及PDS+US+Ag不同处理系统组合对TC的去除效率，发现Ag和US的协同作用会产生更多高活性∙OH和${\rm{SO}}_4^{-}\cdot $ ，对TC去除率可达83%以上。刘佳露等[48]将电化学引进非均相CoFe2O4活化PDS体系（EC/CoFe2O4/PDS）中，与PDS/CoFe2O4体系和EC/PDS体系相比，该联合体系不仅能够更高效地实现TC废水的处理，还可以实现金属离子电子对如Co2+/Co3+、Fe2+/Fe3+的循环利用和S2O82−的再生。电化学联合活化PDS的过程，是金属离子和电子转移2种活化方式的结合，这种多功能结合的协同机制能够更好实现有机物的降解。自由基捕获研究显示该反应体系中共同存在
${\rm{SO}}_4^{-}\cdot $ 和∙OH，其中${\rm{SO}}_4^{-}\cdot $ 起主导作用。此外，将电活化与US结合也可以达到协同活化PDS的效果。张祺等[49]研究了US强化电活化PDS氧化体系对TC和OTC的去除效果，结果表明US的引入对电活化PDS体系的氧化能力有明显的加强作用，而电压对US活化PDS体系的氧化能力也有明显的强化作用，即US与电压在活化PDS的过程中呈现较强的协同作用。其中，四环素的降解产物主要是基于环二甲胺基的脱除、脱烃基开环、芳香环的加氧氧化开环；土霉素的反应中间产物主要由羟基化反应、脱羰基反应、脱水反应、脱甲基作用、开环反应和脱CO2反应产生。Hu等[50]对比了不同体系去除TC的能力，发现与单一Cu（Ⅱ）、单一UV以及 Cu（Ⅱ）/ UV系统相比，Cu（Ⅱ）/UV/PDS体系对TC的的氧化降解能力更佳。值得一提的是，太阳辐射可以为PS的染料活化提供额外的能量。如Tao等[51]研究发现在可见光照射下，PDS可以被罗丹明B、曙红Y和亚甲基蓝等染料生成的光生电子激活，尤其是阳离子染料对PDS的活化效率更佳，并通过自由基和非自由基途径实现染料和TCH的同时降解（图6）。这种无催化剂的降解体系不仅可以减轻废水处理的负担，而且实现了“以废治废”的目标。特别是相比于UV，自然阳光照射下工作更能达到节能的效果。
-
近几年来活化过硫酸盐高级氧化技术在抗生素废水处理等方面展现了卓越的优势，但此项技术的实际应用仍有很多局限性需要注意。热、超声、电活化等外加能量活化方式相对清洁环保，无二次污染的风险，且具有可持续性，但耗能大，对设备要求相对较高；过渡金属活化效率相对较高，且经济实用，但容易释放金属离子，有一定的环境风险；一些复合型催化材料的制备方法较为复杂且生产成本高。在未来，一方面我们应加强对现有成熟技术的改进及综合应用以提高处理效率，另一方面应当继续探索更加环境友好型的新的高效活化材料或策略，比如可考虑通过开发木质纤维素废料和废石墨等废弃物作为高效碳催化剂的生产原料或采用更加节能、绿色的合成方法。日光活化、天然有机物活化等方式也是今后需要探索的新方向。此外，目前多数研究仍针对较为单一的污染物展开研究，还应加强对实际抗生素废水的处理，进一步明确该技术在实际应用中的可行性。
过硫酸盐活化技术在四环素类抗生素降解中的应用进展
Application progress of persulfate activation technology in degradation of tetracycline antibiotics
-
摘要: 四环素类抗生素（TCs）的广泛应用导致其在水体及土壤环境中大量残留，严重破坏水体生态平衡，危害人体健康。近年来，基于硫酸根自由基的活化过硫酸盐高级氧化技术具有效率高、速度快、反应彻底且作用条件温和等优点，已被广泛应用于处理废水中各类有机污染物的研究。本文综述了近几年来国内外利用紫外光、热、超声波、电活化、过渡金属、炭材料、负载金属催化剂活化以及联合活化技术在过一硫酸盐和过二硫酸盐氧化降解TCs中的研究与应用现状，并围绕催化剂的制备及特点、活化过硫酸盐的内在机制、自由基及非自由基产生途径、TCs的降解效果及降解途径等方面展开阐述。最后指出了该技术目前面临的问题及未来的发展方向，以期为过硫酸盐活化技术在抗生素废水处理中的进一步推广和应用提供参考。Abstract: The extensive application of tetracycline antibiotics (TCs) leads to a large number of residues in water and soil environment, which seriously damages the ecological balance of water and harms human health. In recent years, activated persulfate advanced oxidation technology based on sulfate radicals has been widely used to treat various organic pollutants in wastewater due to its advantages of high efficiency, fast speed, thorough reaction and mild action conditions. In this paper, the research and application of ultraviolet, heat, ultrasound, electric activation, transition metal, carbon materials, supported metal catalyst activation and combined activation technologies in the oxidative degradation of TCs by peroxymonosulfate and peroxydisulfate were reviewed, and around the preparations and characteristics of catalyst, the intrinsic mechanism of activation persulfate, the generation pathways of free radical and non-free radical, the degradation effect and pathways of the TCs etc. In the end, the current problems and future development direction of this technology were pointed out, to provide a reference from further popularization and application of persulfate activation technology in antibiotic wastewater treatment.
-
Key words:
- tetracycline antibiotics /
- activated persulfate /
- oxidative degradation /
- catalyst /
- radical
-
-
-
[1] 杨晓芳, 杨涛, 王莹, 等. 四环素类抗生素污染现状及其环境行为研究进展 [J]. 环境工程, 2014, 32(2): 123-127. YANG X F, YANG T, WANG Y, et al. Research progress of tetracycline antibiotics pollution and environmental behavior [J]. Environmental Engineering, 2014, 32(2): 123-127(in Chinese).
[2] AN L, XIAO P F. Zero-valent iron/activated carbon microelectrolysis to activate peroxydisulfate for efficient degradation of chlortetracycline in aqueous solution [J]. RSC Advances, 2020, 10(33): 19401-19409. doi: 10.1039/D0RA03639K [3] LEE J, GUNTEN U, KIM J. Persulfated-based advanced oxidation: Critical assessment of opportunities and roadblocks [J]. Environmental Science Technology, 2020, 54: 3064-3081. doi: 10.1021/acs.est.9b07082 [4] 肖鹏飞, 姜思佳. 活化过硫酸盐氧化法修复有机污染土壤的研究进展 [J]. 化工进展, 2018, 37(12): 4862-4873. XIAO P F, JIANG S J. Research progress in remediation of organic contaminated soil by activated persulfate oxidation [J]. Chemical industry and Engineering Progress, 2018, 37(12): 4862-4873(in Chinese).
[5] 黄智辉, 纪志永, 陈希, 等. 过硫酸盐高级氧化降解水体中有机污染物研究进展 [J]. 化工进展, 2019, 38(5): 2461-2470. HUANG Z, JI Z Y, CHEN X, et al. Degradation of organic pollutants in water by persulfate advanced oxidation [J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2019, 38(5): 2461-2470(in Chinese).
[6] MATZEK L W, CARTER K E. Activated persulfate for organic chemical degradation: A review [J]. Chemosphere, 2016, 151: 178-188. doi: 10.1016/j.chemosphere.2016.02.055 [7] 陈一萍, 夏管商, 郑朝洪, 等. CNTs/PMS高级氧化体系去除水中的环丙沙星 [J]. 化工进展, 2019, 38(4): 2037-2045. CHEN Y P, XIA G S, ZHENG C H, et al. Degradation of ciprofloxacin by advanced oxidation process with carbon nanotubes /peroxymonosulfate [J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2019, 38(4): 2037-2045(in Chinese).
[8] 徐睿, 杨威, 杨哲, 等. 膨胀石墨负载氧化铜活化过硫酸盐用于降解盐酸四环素 [J]. 环境工程, 2020, 38(2): 48-54, 47. XU R, YANG W, YANG Z, et al. The degradation of tetracycline hydrochloride by copper oxide activated by expanded graphite [J]. Environmental Engineering, 2020, 38(2): 48-54, 47(in Chinese).
[9] RAMA R, ROGGY D, SATINDER K B, et al. Activation of persulfate by homogeneous and heterogeneous iron catalyst to degrade chlortetracycline in aqueous solution [J]. Chemosphere, 2018, 207: 543-551. doi: 10.1016/j.chemosphere.2018.05.134 [10] 李晶, 鲍建国, 杜江坤, 等. Fe/Cu双金属活化过一硫酸盐降解四环素的机制 [J]. 环境科学, 2018, 39(7): 3203-321. LI J, BAO J G, DU J K, et al. Mechanism of degradation of tetracycline by Peroxysulfate activated by Fe/Cu bimetal [J]. Environmental Science, 2018, 39(7): 3203-321(in Chinese).
[11] 王艳, 张佳文, 范行军, 等. CuFe2O4活化过一硫酸盐降解四环素 [J]. 功能材料, 2020, 51(3): 3214-3220. WANG Y, ZHANG J W, FAN X J, et al. Degradation of tetracycline by CuFe2O4 activated persulfate [J]. Functional Materials, 2020, 51(3): 3214-3220(in Chinese).
[12] WU X Y, ZHAO W H, HUANG Y H, et al. A mechanistic study of amorphous CoSx cages as advanced oxidation catalysts for excellent peroxymonosulfate activation towards antibiotics degradation [J]. Chemical Engineering Journal, 2020, 381: 122768. doi: 10.1016/j.cej.2019.122768 [13] VAN T R, NGUYN T B, CHEN C W, et al. Cobalt-impregnated biochar (Co-SCG) for heterogeneous activation of peroxymonosulfate for removal of tetracycline in water [J]. Bioresource technology, 2019, 292: 1221954. [14] REN F J, ZHU W W, ZHAO J Y, et al. Nitrogen-doped graphene oxide aerogel anchored with spinel CoFe2O4 nanoparticles for rapid degradation of tetracycline [J]. Separation and Purification Technology, 2020, 241: 116690. doi: 10.1016/j.seppur.2020.116690 [15] 章晋门, 陈泉源, 杨慧敏. 过硫酸盐活化方式与氧化降解有机物效能及其在污染场地修复中的应用 [J]. 化工进展, 2020, 39(1): 1-13. ZHANG J M, CHEN Y Q, YANG H M. Activation mode of persulfate and its application in remediation of contaminated sites [J]. Progress in chemical industry, 2020, 39(1): 1-13(in Chinese).
[16] PHAM T H, KIM J, TALAL A T, et al. Novel activation of peroxymonosulfate by biochar derived from rice husk toward oxidation of organic contaminants in wastewater [J]. Journal of Water Process Engineering, 2020, 33: 101037. doi: 10.1016/j.jwpe.2019.101037 [17] 李硕, 高乃云, 邢美燕, 等. 紫外激活过硫酸盐技术去除水中金霉素 [J]. 哈尔滨工业大学学报, 2016, 48(8): 96-101. doi: 10.11918/j.issn.0367-6234.2016.08.016 LI S, GAO N Y, XING M Y, et al. Removal of chlortetracycline in water by UV activated persulfate technology [J]. Journal of Harbin University of Technology, 2016, 48(8): 96-101(in Chinese). doi: 10.11918/j.issn.0367-6234.2016.08.016
[18] XU M Y, DENG J, CAI A H, et al. Comparison of UVC and UVC/persulfate processes for tetracycline removal in water [J]. Chemical Engineering Journal, 2020, 384: 123320. doi: 10.1016/j.cej.2019.123320 [19] LIU Y Q, HE X X, FU Y S, et al. Kinetics and mechanism investigation on the destruction of oxytetracycline by UV-254 nm activation of persulfate [J]. Journal of Hazardous Materials, 2016, 305: 229-239. doi: 10.1016/j.jhazmat.2015.11.043 [20] 扶咏梅, 王昀鹏, 王现丽, 等. UV/K2S2O8耦合降解四环素研究 [J]. 工业水处理, 2017, 37(4): 47-50. doi: 10.11894/1005-829x.2017.37(4).011 FU Y M, WANG Y P, WANG X L, et al. Study on the coupling degradation of tetracycline by UV/K2S2O8 [J]. Industrial Water Treatment, 2017, 37(4): 47-50(in Chinese). doi: 10.11894/1005-829x.2017.37(4).011
[21] 袁蓁, 隋铭皓, 袁博杰, 等. 基于硫酸根自由基的活化过硫酸盐新型高级氧化技术研究新进展 [J]. 四川环境, 2016, 35(5): 142-146. doi: 10.3969/j.issn.1001-3644.2016.05.028 YUAN Z, SUI M H, YUAN B J, et al. New progress in novel advanced oxidation technology of activated persulfate based on sulfate radical [J]. Sichuan environment, 2016, 35(5): 142-146(in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1001-3644.2016.05.028
[22] 武海霞, 陈卫刚, 方志, 等. 介质阻挡放电优化激活过硫酸盐处理四环素废水 [J]. 高电技术, 2019, 45(5): 1387-1395. WU H X, CHEN W G, FANG Z, et al. Treatment of tetracycline wastewater by dielectric barrier discharge optimized activation of persulfate [J]. High Electric Technology, 2019, 45(5): 1387-1395(in Chinese).
[23] LIU J L, ZHONG S, SONG Y P, et al. Degradation of tetracycline hydrochloride by electro-activated persulfate oxidation [J]. Journal of Electroanalytical Chemistry, 2018, 809: 74-79. doi: 10.1016/j.jelechem.2017.12.033 [24] TANG S F, YUAN D L, RAO Y D, et al. Persulfate activation in gas phase surface discharge plasma for synergetic removal of antibiotic in water [J]. Chemical Engineering Journal, 2018, 337: 446-454. doi: 10.1016/j.cej.2017.12.117 [25] SIMIN N, AMIR H M, MAHDI S, et al. Degradation kinetics of tetracycline in aqueous solutions using peroxydisulfate activated by ultrasound irradiation: Effect of radical scavenger and water matrix [J]. Journal of Molecular Liquids, 2017, 241: 704-714. doi: 10.1016/j.molliq.2017.05.137 [26] GHOLAM H S, SIMIN N, AMIR H M, et al. Optimization of sonochemical degradation of tetracycline in aqueous solution using sono-activated persulfate process [J]. Journal of Environmental Health Science and Engineering, 2015, 13: 76-91. doi: 10.1186/s40201-015-0234-7 [27] 龙安华, 雷洋, 张晖. 活化过硫酸盐原位化学氧化修复有机污染土壤和地下水 [J]. 化学进展, 2014, 26(5): 898-908. LONG A H, LEI Y, ZHANG H. In situ chemical oxidation of activated persulfate for remediation of organic contaminated soil and groundwater [J]. Chemical Progress, 2014, 26(5): 898-908(in Chinese).
[28] JI Y F, SHI Y Y, DONG W, et al. Thermo-activated persulfate oxidation system for tetracycline antibiotics degradation in aqueous solution [J]. Chemical Engineering Journal, 2016, 298: 225-233. doi: 10.1016/j.cej.2016.04.028 [29] 徐文思, 彭伟, 张星, 等. 过硫酸盐活化技术降解污染物的研究进展 [J]. 化学与生物工程, 2018, 35(6): 13-16, 47. XU W S, PENG W, ZHANG X, et al. Research progress in the degradation of pollutants by persulfate activation technology [J]. Chemical and Bioengineering, 2018, 35(6): 13-16, 47(in Chinese).
[30] 刘伟建, 朱玲, 包思琪, 等. Fe2+/Na2S2O8法去除水中四环素的实验研究 [J]. 科学技术与工程, 2018, 18(10): 295-298. doi: 10.3969/j.issn.1671-1815.2018.10.051 LIU W J, ZHU L, BAO S Q, et al. Experimental study on the removal of tetracycline from water by Fe2+/Na2S2O8 method [J]. Science Technology and Engineering, 2018, 18(10): 295-298(in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1671-1815.2018.10.051
[31] 张良波, 许春红, 祝慧娜, 等. Fe2+/过硫酸钠体系降解盐酸四环素的研究 [J]. 环境污染与防治, 2017, 39(7): 776-779, 783. ZHANG L B, XU C H, ZHU H N, et al. Study on degradation of tetracycline hydrochloride by Fe2+/sodium persulfate system [J]. Environmental Pollution and Prevention, 2017, 39(7): 776-779, 783(in Chinese).
[32] LI Z L, GUO C S, LYU J Y, et al. Tetracycline degradation by persulfate activated with magnetic Cu/CuFe2O4 composite: Efficiency, stability, mechanism and degradation pathway [J]. Journal of Hazardous Materials, 2019, 373: 543-551. [33] OUYANG M Y, LI X M, XU Q X, et al. Heterogeneous activation of persulfate by Ag doped BiFeO3composites for tetracycline degradation [J]. Journal of Colloid and Interface Science, 2020, 566: 33-45. doi: 10.1016/j.jcis.2020.01.012 [34] XIA J, GUO Y H, ZHANG L B, et al. Catalytic degradation of tetracycline hydrochloride by persulfate activated with nano Fe0 immobilized mesoporous carbon [J]. Chemical Engineering Journal, 2018, 341: 392-401. doi: 10.1016/j.cej.2018.02.034 [35] AHMAD J J, BABAK K, NEMAT J, et al. Fenton-like catalytic oxidation of tetracycline by AC@Fe3O4 as a heterogeneous persulfate activator: Adsorption and degradation studies [J]. Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 2016, 45: 323-333. [36] ZHU K R, XU H, CHEN C L, et al. Encapsulation of Fe0-dominated Fe3O4/Fe0 /Fe3C nanoparticles into carbonized polydopamine nanospheres for catalytic degradation of tetracycline via persulfate activation [J]. Chemical Engineering Journal, 2019, 372: 304-311. doi: 10.1016/j.cej.2019.04.157 [37] HUANG D L, ZHANG Q, ZHANG C, et al. Mn doped magnetic biochar as persulfate activator for the degradation of tetracycline [J]. Chemical Engineering Journal, 2019: 123532. [38] PI Z J, LI X M, WANG D B, et al. Persulfate activation by oxidation biochar supported magnetite particles for tetracycline removal: Performance and degradation pathway [J]. Journal of Cleaner Production, 2019, 235: 1103-1115. doi: 10.1016/j.jclepro.2019.07.037 [39] XU J, ZHANG X L, SUN C, et al. Insights into removal of tetracycline by persulfate activation with peanut shell biochar coupled with amorphous Cu-doped FeOOH composite in aqueous solution [J]. Environmental Science and Pollution Research, 2019, 26: 2820-2834. doi: 10.1007/s11356-018-3777-1 [40] ZHONG Q F, LIN Q T, HUANG R L, et al. Oxidative degradation of tetracycline using persulfate activated by N and Cu codoped biochar [J]. Chemical Engineering Journal, 2020, 380: 122608. doi: 10.1016/j.cej.2019.122608 [41] 张霄, 张静, 闫春晖, 等. CuO@C催化过二硫酸盐降解盐酸四环素研究 [J]. 水处理技术, 2019, 45(4): 17-20, 26. ZHANG X, ZHANG J, YAN C H, et al. Study on the degradation of tetracycline hydrochloride by CuO@C catalyst [J]. Water Treatment Technology, 2019, 45(4): 17-20, 26(in Chinese).
[42] 张志旭, 罗琳, 许振成. 磁性污泥炭在四环素降解中的应用研究 [J]. 农业环境科学学报, 2017, 36(4): 777-782. doi: 10.11654/jaes.2016-1450 ZHANG Z X, LUO L, XU Z C. Application of magnetic sludge carbon in tetracycline degradation [J]. Journal of Agricultural Environmental Science, 2017, 36(4): 777-782(in Chinese). doi: 10.11654/jaes.2016-1450
[43] WEI J, LIU Y T, ZHU Y H, et al. Enhanced catalytic degradation of tetracycline antibiotic by persulfate activated with modified sludge bio-hydrochar [J]. Chemosphere, 2020, 247: 125854. doi: 10.1016/j.chemosphere.2020.125854 [44] FENG L Y, LI X Y, CHEN X T, et al. Pig manure-derived nitrogen-doped mesoporous carbon for adsorption and catalytic oxidation of tetracycline [J]. Science of the Total Environment, 2020, 708: 135071. doi: 10.1016/j.scitotenv.2019.135071 [45] 冯逸, 张贞勇, 魏雯静, 等. 超声非均相氧化体系对四环素的降解 [J]. 化工管理, 2020(9): 21-23. doi: 10.3969/j.issn.1008-4800.2020.09.011 FENG Y, ZHANG Z Y, WEI W J, et al. Degradation of tetracycline by ultrasonic heterogeneous oxidation system [J]. Chemical Management, 2020(9): 21-23(in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1008-4800.2020.09.011
[46] HOU L W, ZHANG H, XUE X F. Ultrasound enhanced heterogeneous activation of peroxydisulfate by magnetite catalyst for the degradation of tetracycline in water [J]. Separation and Purification Technology, 2011, 84: 147-152. [47] AKBAR E, HAMIDEH B, ANVAR A, et al. Enhanced sonochemical degradation of tetracycline by sulfate radicals [J]. Water Science and Technology, 2016, 73: 1293-1300. doi: 10.2166/wst.2015.607 [48] 刘佳露. 磁性纳米CoFe2O4-电协同活化过硫酸盐处理四环素废水的研究[D]. 长春: 吉林大学, 2018. LIU J L. Study on the treatment of tetracycline wastewater by magnetic nano CoFe2O4 electrosynthetically activated persulfate[D]. Changchun: Jilin University, 2018(in Chinese).
[49] 张祺. 超声强化电活化过硫酸盐去除水中抗生素的研究[D]. 武汉: 华中科技大学, 2016. ZHANG Q. Study on the removal of antibiotics from water by ultrasound enhanced electroactivation of persulfate[D]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology, 2016(in Chinese).
[50] HU J M, ZHANG J, WANG Q G, et al. Efficient degradation of tetracycline by ultraviolet-based activation of peroxymonosulfate and persulfate [J]. Water Science and Technology, 2019, 79: 911-920. doi: 10.2166/wst.2019.034 [51] TAO C, LIU Y T, WANG L L, et al. Activation of persulfate by photoexcited dye for antibiotic degradation: Radical and nonradical reactions [J]. Chemical Engineering Journal, 2019, 375: 122070. doi: 10.1016/j.cej.2019.122070 -
点击查看大图
计量
- 文章访问数: 5075
- HTML全文浏览数: 5075
- PDF下载数: 49
- 施引文献: 0
