期刊信息
 

刊名:化学与生物工程
曾用名:湖北化工
主办:武汉工程大学;湖北省化学化工学会;湖北省化学研究院;湖北省化学工业研究设计院
ISSN:1672-5425
CN:42-1710/TQ
语言:中文
周期:月刊
影响因子:0.455799996852875
被引频次:34509
数据库收录:
化学文摘(网络版);中国科技核心期刊;期刊分类:生物学
期刊热词:
性能研究,催化,正交实验,降解,纯化,催化合成,催化剂,壳聚糖,发酵,活性研究,

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高级氧化技术在磺胺类抗生素废水治理中的应用

来源:化学与生物工程 【在线投稿】 栏目:期刊导读 时间:2020-05-15 12:46

【作者】网站采编

【关键词】

【摘要】磺胺类(sulfonamides,SAs)抗生素是我国使用量最大的抗生素之一,具有广谱抗菌性、低成本、高稳定性等特征 [1-4] 。由于SAs抗生素在生物体内难以被吸收、矿化,大部分会随着生物体的排

磺胺类(sulfonamides,SAs)抗生素是我国使用量最大的抗生素之一,具有广谱抗菌性、低成本、高稳定性等特征[1-4]。由于SAs抗生素在生物体内难以被吸收、矿化,大部分会随着生物体的排泄物进入到环境中,已经在多种环境介质中检出。徐维海等[5]检测洪季和枯季珠江广州河段水体中的SAs抗生素,发现其浓度分别为2~179 ng·L-1和107~336 ng·L-1。Watkinson等[6]检测地表水中SAs抗生素残留量时发现,磺胺甲唑(sulfamethoxazole,SMX)的浓度最高(2 μg·L-1)。SAs抗生素经过长期的富集和累积,已成为环境中的一类新兴污染物,可能会带来环境风险,威胁生态环境和人类健康。因此,加强对SAs抗生素废水处理理论和技术方面的研究具有十分重要的现实意义。

现阶段,SAs抗生素废水的处理方法有物理法[7]、生物法[8]和化学法[9]。物理法仅通过富集和分离作用,无法实现对SAs抗生素的完全降解,存在二次污染、难以回收等不足。González等[10]使用悬浮生物反应器进行光Fenton反应,并耦合好氧生物处理降解SMX,在反应器运行60 d后,200 mg·L-1的SMX才被完全降解,实际应用价值并不高。近年来,高级氧化技术(AOPs)被广泛应用于处理SAs废水[11],该技术核心是在光、电、催化剂等作用下[12],过氧化物被活化,产生具有高氧化电位的羟基自由基(·OH),从而将废水中的SAs抗生素矿化为毒性较低或无毒性的小分子物质,实现高效处理。作者在此对高级氧化技术处理SAs抗生素废水的研究进展进行综述,并提出了该技术的发展方向。

1 光催化氧化技术

光催化氧化技术是一种简单高效的新兴高级氧化技术,以半导体为催化剂,臭氧、H2O2等为氧化剂,光作为能量,激发产生具有强氧化性的·OH,将有机污染物降解[13-14]。TiO2稳定性高、无毒性,被广泛应用于光催化氧化技术研究。Fukahori等[15]采用UV/TiO2体系处理磺胺二甲基嘧啶(SMT)、磺胺酸和4-氨基-2,6-二甲基嘧啶(ADMP),并对光催化反应途径进行研究,发现SMT分解初期有大量氨基苯酚(p-AP)的形成和积累,表明苯基和嘧啶环会发生羟基化,磺酰胺基会被羟基直接取代。耿凤华等[16]采用UV/TiO2体系处理磺胺吡啶(SASP),当TiO2浓度为1 g·L-1、磺胺吡啶浓度为10 mg·L-1时,降解率可达99%,这是羟基氧化和空穴直接氧化协同作用的结果,且反应符合拟一级动力学模型。

由于TiO2禁带宽度较宽、可见光利用率较低、反应后回收利用率低,因此制备磁性、可吸收光谱范围宽的光催化剂成为研究热点[17]。郭星[18]制备了包覆型石墨烯/TiO2磁性复合光催化剂,该催化剂对可见光的吸收能力增强,并且吸收光谱向可见光区域发生红移,对甲基橙溶液的降解率最高达到94.58%,重复使用5次后的降解率仍能达到90.87%。王子帅等[19]通过溶胶-凝胶法、水热法和煅烧法成功制备了Fe3O4@TiO2磁性纳米复合材料,其在可见光照射下对Cr(Ⅵ)的去除率是TiO2的1.96倍,且在最佳条件下去除率可达到99.85%。阮仁雨[20]制备了Fe3O4/ZnO磁性光催化剂,当n(Fe3O4)∶n(ZnO)为1∶2、催化剂投加量为5 mg·L-1时,紫外光照射60 min后,SMT的降解率达到86.91%,且在中性条件下(pH=7),降解率仍有81.72%。

1.2.1 一般治疗 予严格单间隔离、心电监护、持续鼻导管吸氧、物理降温及营养支持,乌司他丁减轻炎症反应,丙种球蛋白增加抵抗力,喜炎平注射液及连花清瘟胶囊清热解毒;并加用莫西沙星抗细菌治疗,疗程6 d;因1,3-β-D葡聚糖检测试验(G试验)阳性,加用伏立康唑抗真菌治疗,疗程9 d。

超声氧化技术是利用超声波的空化作用产生高压、高热的极限环境,使液体分子汽化并产生振动作用,热解产生·OH和·H或促进氧化剂产生氧化基团,进而降解污染物,也可直接断开难以断裂的化学键,直接对污染物进行降解[32-33]

2 电化学氧化技术

电化学氧化技术(EAOPs)是利用电场将污染物吸附在阳极上,在阳极表面产生·OH,或是阴极表面产生活性含氧基团进而氧化[21-23],具有无二次污染、高效、可操作性强等优点。

实验组的治疗依从性评分为(19.56±1.28)分,参照组的治疗依从性评分为(14.15±1.40)分,实验组患者平均住院(5.55±0.49)天,参照组患者平均住院(9.57±0.94),结果存在统计学差异性,实验组患者的服务态度评分平均是(4.26±0.45)分、健康宣教评分平均是(4.90±0.30)分;参照组患者为(3.09±0.44)分、(2.90±0.30),两组结果对比存在统计学差异性(P<0.05)。

郭照冰等[34]采用超声氧化技术对SD废水进行降解,当超声功率为400 W、SD初始浓度为2 mg·L-1时,240 min后降解率可达到83.15%;当SD初始浓度提高到20 mg·L-1时,降解率下降到21.18%。机理研究发现,·OH为主要活性基团。

王慧晴等[25]以钛镀铀为阳极、石墨为阴极,采用电化学氧化法处理磺胺(SA)废水,当SA初始浓度为0.12 mmol·L-1、电流密度为20 mA·cm-2、pH值为3、Na2SO4浓度为50 mmol·L-1、降解时间为3 h时,降解率为89.2%。机理分析发现,部分SA在阳极表面直接氧化;部分SA与电解产生的·OH发生间接氧化,产物被·OH进一步氧化,生成富马酸和马来酸。

但超声氧化技术依然存在能耗大、处理成本高、超声利用率低等不足,在设备维护和建设方面也存在许多问题。

3.2.3 严格执行消毒隔离 ①做好自我防护:戴手套操作;有创治疗时戴护目镜;严格执行六步洗手法。②做好锐器伤防范:注射车上放置剪刀并固定,以便在床旁及时处理一次性医疗废弃物;医师、护士、保洁工熟知锐器伤后的处理和上报流程;推广使用安全型留置静脉注射器,保护患者静脉、保证患者休息、减少锐器伤的发生。③所有操作严格均按标准预防技术操作原则进行。④教会患者家属处理污物的方法,如接触疑为血液、体液污染物品需戴手套给予处理并及时洗手,所有被体液污染物品按医疗废弃物处理,防止发生院内外交叉感染的可能。

大三的课程很少。我有时在青木那里一待就是大半天,我们有一句没一句地唠。他给我描述樱花是怎样的美,富士山是怎样的炫丽。我听得如痴如醉。可是我突然有一天明白了,我爱他描述的语言胜过风景本身。

3 臭氧氧化技术

臭氧氧化技术对SAs抗生素具有优异的降解效果,但臭氧生成设备复杂、臭氧产生率和利用率低。成本较高仍然是该技术的瓶颈,如何在降低成本的同时提高臭氧生成率是目前亟需解决的问题。

译文:The findings also indicate that the formation of their motives is influenced by individual and contextual factors.

周宁娟等[29]以羟基化锌(ZnOOH)为催化剂,构建了非均相催化臭氧体系处理SD废水,当SD初始浓度为200 μg·L-1、ZnOOH投加量为100 mg·L-1、臭氧投加量为1.5 mg·L-1、降解时间为30 min时,SD降解率可达98.8%,高于单独臭氧氧化(51.1%)。

王培良等[30]研究了臭氧氧化技术对SD废水的降解效果,当SD初始浓度为30 mg·L-1、pH值为9.14、臭氧投加量为投加量为100 mg·L-1时,30 min后SD几乎全部被降解,120 min后矿化率为39.44%,反应过程符合伪一级动力学模型。HPLC-MS分析表明,反应中间产物为对氨基苯磺酸,在臭氧作用下可以进一步分解矿化为CO2

Guo等[35]采用超声/臭氧氧化法降解水体中的SMX,当超声密度为600 W·L-1、SMX初始浓度为100 mg·L-1、pH值为7.0、臭氧投加量为5 g·h-1时,SMX几乎被完全降解;而单独使用超声时,SMX基本不被降解。

臭氧氧化技术是有机污染物直接与臭氧分子反应,或在催化剂作用下与臭氧分解产生的·OH反应,进而降解污染物[27-28],具有反应速率快、条件温和、操作简单、无二次污染等优点。

“大哥,”欧阳锋说,“要说这个事情也不能全怨我,我真不知道我家的钥匙能打开你家的防盗门,刚刚我们与大姐一块试过了,问题出在防盗门上。”

4 超声氧化技术

虽然复合磁性TiO2光催化剂降解效果好、对光利用率较高且可重复利用,但制备成本较高,难以规模化生产,在实际应用中仍存在许多问题。

张佳等[24]以IrO2-RuO2/Ti复合材料为阳极、不锈钢为阴极、Na2SO4为电解质,对模拟磺胺嘧啶(SD)废水进行电催化氧化降解。结果表明,当SD初始浓度为50 mg·L-1、pH值为5、Na2SO4浓度为0.05 mol·L-1、电流密度为10 mA·cm-2、板间距为2 cm时,降解效果达到最佳。机理分析发现,·OH为主要活性物质,降解过程遵循一级动力学模型。

Urbano等[31]采用臭氧氧化技术对磺胺喹啉(SQX)进行降解,当SQX初始浓度为500 μg·L-1、pH值为3.0、臭氧投加量为2.8 mg·L-1时,SQX降解率超过99%。pH值对SQX的降解影响显著,pH值为3.0时的降解速率常数为pH值为7.0时的3倍;pH值为3.0时,降解产物毒性最低;pH值为11.0时,会产生有毒的中间产物。

Wu等[26]以活性炭构建电催化-过硫酸盐体系(EC/AC/PS)处理SMX废水,当溶液pH值为5.0、板间距为9 cm时,SMX的降解率为88.5%;活性炭重复使用4次后,SMX的降解率仍能保持80.0%以上。机理研究发现,为主要活性物质,SMX苯环结构随反应进行被打开。该研究表明,EC/AC/PS体系可以有效降解水体中的SAs抗生素,但电化学氧化技术装置危险系数较高、电压大,处理过程能耗高,设备也需要及时维护。

5 Fenton氧化技术

Fenton氧化技术是在酸性(pH=2~5)条件下,Fe2+催化H2O2产生大量·OH,进而通过氧化去除废水中的SAs抗生素[36]。Fenton氧化技术具有处理效果好、反应温和且充分、设备简单等优点。

符荷花等[37]利用Fenton氧化技术处理含有SASP、SMX、SMT等3种SAs抗生素的废水,当pH值为3.0、H2O2投加量为2.0 mmol·L-1、Fe2+投加量为0.10 mmol·L-1时,30 min即可完全去除3种SAs抗生素,且SMX的去除速率大于SASP和SMT。

苏荣军等[38]以COD为测试指标,利用Fenton氧化技术处理SMX废水。当COD初始浓度为1 166.6 mg·L-1、Fe2+投加量为0.2 mol·L-1、H2O2投加量为1.0 mol·L-1、溶液pH值为3.0、处理时间为60 min时,COD去除率可达88.9%。

Fenton氧化技术对SAs抗生素废水具有优异的处理效果,但处理成本高,药剂投加量大,会产生含铁污泥,增加后续处理难度。为解决这些问题,研究者开发了许多类Fenton氧化技术,如电Fenton、光Fenton及复合催化剂Fenton体系等[39]。Gao等[40]以3D介孔CuFe2O4为催化剂,采用光Fenton氧化技术在近中性条件下处理SMX废水,当催化剂投加量为0.2 g·L-1、pH值为6.7、SMX初始浓度为10 mg·L-1、H2O2浓度为10 mmol·L-1时,氙灯照射2 h后SMX被完全降解,矿化率达到31.42%;·OH为主要活性物质,且催化剂可重复利用。迟翔等[41]采用超声Fenton体系对沼液中的3种SAs抗生素(SMX、SMT和SD)进行处理,当H2O2投加量为0.04 mol·L-1、pH值为3.8、n(H2O2)/n(Fe2+)为10.9、超声密度为0.055 kW·L-1时,SMX、SMT和SD的去除率分别为87.98%、80.78%和89.58%,相较于单独使用Fenton体系,氧化剂投加量大大减少。Wang等[42]采用Fe3+/过氧化钙类Fenton体系对SA进行降解,当Fe3+投加量为2.96 mmol·L-1、CaO2投加量为2.33 mmol·L-1、pH值为6.5时,SA降解率可达91.7%;除外,Na+、Mg2+、Cl-等离子对降解效果的影响可忽略不计,但高浓度的会抑制降解的进行。

Peng等[43]制备了低成本、环境友好的CuO/MnFe2O4磁性复合催化剂,构建了非均相Fenton体系处理SMX废水。当SMX初始浓度为5 mg·L-1、催化剂投加量为0.5 g·L-1、H2O2投加量为10 mmol·L-1、处理时间为30 min时,SMX去除率可达99.2%,TOC去除率为58.5%;·OH和1O2为主要活性物质;CuO和MnFe2O4存在协同作用;1O2产生于复合材料中的晶格氧和羟基化氧。

6 结语

高级氧化技术在SAs抗生素废水的处理中已经得到广泛应用,但是依然存在反应条件严苛、处理成本高、反应设备复杂等诸多问题。如何协同利用各种高级氧化技术提高处理效率是目前的研究重点。未来可以从以下方向进行研究:(1)活性含氧基团是高级氧化技术处理SAs抗生素废水的核心要素,因此延长活性含氧基团的存留时间,提高活性含氧基团的生成率尤为重要;(2)催化剂是高级氧化技术处理SAs抗生素废水的另一核心要素,环保型、价格低、回收率高、反应高效、pH值适用范围较宽的催化剂的研究迫在眉睫;(3)研究高级氧化技术与其它技术联用工艺,拓宽目标污染物的种类,将低成本生物法与高级氧化技术耦合联用,是未来工业化处理SAs抗生素废水的研究方向。

1.3.1 菌株Penicillium sp. H1提取物的制备 将培养物采用绢布滤过将菌丝体和发酵液分开,其中菌丝体部分用80%丙酮溶液浸泡并破碎,滤过,减压浓缩后用醋酸乙酯萃取水相,发酵液用醋酸乙酯萃取,浓缩得到浸膏5.0 g。

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Application Progress of Advanced Oxidation Technology in Treatment of Sulfanilamide Antibiotic Wastewater

XIE Chaoxin,LIU Yaoqun,PENG Wei*

(Department of Military Facilities,Army Logistics University of PLA,Chongqing 401331,China)

AbstractThe sulfanilamide antibiotic wastewater is characterized by large-scale discharge and difficult biodegradation.Traditional physical and biological methods are inefficient and have secondary pollution.Advanced oxidation technologies have been widely concerned because of its excellent treatment effect.In this paper,we reviewed the research progress of advanced oxidation technology in the treatment of sulfanilamide antibiotic wastewater in recent years,briefly introduce the advantages and disadvantages of various advanced oxidation technologies,and put forward prospects in the future development of advanced oxidation technology in the treatment of sulfanilamide antibiotic wastewater.

Keywordssulfanilamide antibiotic wastewater;advanced oxidation technology;wastewater treatment

基金项目:国家重点研发计划项目(2017YFC0806305),国家自然科学基金项目(51508564)

收稿日期:2019-12-23

作者简介:谢朝新(1968-),男,湖南常德人,博士,教授,研究方向:军事环境安全与管理,E-mail:a86909304@163.com;

通讯作者:彭伟,博士,讲师,E-mail:pengwei135005@qq.com。

doi:10.3969/j.issn.1672-5425.2020.04.001

谢朝新,刘耀群,彭伟.高级氧化技术在磺胺类抗生素废水治理中的应用进展[J].化学与生物工程,2020,37(4):1-5.

XIE C X,LIU Y Q,PENG W.Application progress of advanced oxidation technology in treatment of sulfanilamide antibiotic wastewater[J].Chemistry & Bioengineering,2020,37(4):1-5.

中图分类号:X703.1

文献标识码:A

文章编号:1672-5425(2020)04-0001-05

文章来源:《化学与生物工程》 网址: http://www.hxyswgc.cn/qikandaodu/2020/0515/340.html

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