超声波/零价铁协同降解氯代有机物特性及QSAR研究

论文摘要

超声波-零价铁联用技术集超声高级氧化、零价铁还原于一体,能有效去除废水中持久性有机污染物。本文试图构建超声波/零价铁协同体系（US/Fe0）,以氯代有机物为目标污染物,考察两者的协同效应,系统而深入的研究各主要控制参数对该体系中氯代有机物降解的影响规律;并以US/Fe0体系水溶液特性为研究对象,探讨两者协同作用机理;引用QSAR研究方法,建立氯代有机物在协同体系中的降解活性与分子结构之间的定量关系模型。本文选择三氯甲烷（CHCl3）、1,2,4-三氯苯（TCB）、2,3,4,6-四氯酚（TeCP）为目标污染物,考察其在US/Fe0体系中降解速率,证明超声波与零价铁之间存在明显协同效应,三种目标污染物降解速率依次为TCB > TeCP > CHCl3。系统研究了Fe0投加量、溶液初始pH、目标污染物初始浓度、超声功率、溶液离子强度对三种目标污染物降解速率的影响,结果表明:①Fe0量对三种目标污染物在US/Fe0体系中的降解速率影响均存在一最佳值;②其他四个控制参数的影响随目标污染物不同而存在不同的影响规律,其一般性规律可以归结为,pH中性条件对降解有利、降解速率随着超声功率的增大而增大;③综合各控制参数对三种目标污染物降解速率的影响,可以推断CHCl3的降解主要以超声空化泡内热解为主,Fe0还原作用对TCB的降解有着相对较大的影响,TeCP的降解则主要以主体溶液中的·OH氧化为主。US/Fe0体系水溶液中pH值、Fe离子、·OH及H2O2浓度间存在着动态平衡;Fe0量2g·L-1时体系·OH及H2O2生成量最大,此时Fe0对超声空化氧化效应的促进作用最大;pH碱性条件下有利于体系中·OH及H2O2生成。在此基础上测定了31种氯代有机物（9种氯代脂肪烃、8种氯苯、14种氯酚）在US/Fe0体系中的拟一级降解动力学常数,通过量子化学计算手段及相关实验数据库获得49种氯代有机物（18种氯代脂肪烃、12种氯苯、19种氯酚）的31个分子结构参数,采用PLS统计学方法,建立了稳健性好、预测能力强的氯代脂肪烃QSAR、氯苯类QSAR、氯代有机物总体QSAR等四个模型,并通过模型预测出49种氯代有机物在US/Fe0体系中的降解速率常数。三类氯代有机物在协同体系中的降解速率大体遵循如下顺序:氯苯类>氯代脂肪烃类>氯酚类。通过模型分析可以得出:所选择的31个分子结构参数中,描述氯代有机物中C-Cl键性能的电性参数（分子中最正氢原子电荷、最负碳原子电荷以及与最负碳原子相连的Cl原子电荷）,描述分子整体性质的能量参数（分子零点能、分子热能、分子动能、分子势能）,以及辛醇水分配系数对模型贡献最大;并从理论上进一步分析论证了氯代脂肪烃与氯苯类物质在US/Fe0体系中的降解途径。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 氯代有机物特性及危害
• 1.2 超声波/零价铁降解有机物研究现状
• 1.2.1 超声波、零价铁降解有机物机理
• 1.2.2 超声波/零价铁联合降解有机物现状
• 1.3 有机物定量结构-活性关系研究
• 1.3.1 QSAR 研究概况
• 1.3.2 QSAR 研究方法
• 1.4 偏最小二乘回归在有机物QSAR 研究中的应用
• 1.4.1 PLS 数学原理
• 1.4.2 PLS 应用概况
• 1.5 本文研究目的和内容
• 第二章 实验材料和方法
• 2.1 实验试剂与装置
• 2.1.1 实验试剂
• 2.1.2 实验装置与方法
• 2.2 分析方法
• 2.2.1 氯代有机物水溶液定量分析
• 2.2.2 其他分析项目
• 第三章 超声波/零价铁协同降解氯代有机物特性
• 3.1 超声波/零价铁降解氯代有机物协同效果
• 3.1.1 三氯甲烷降解
• 3.1.2 1,2,4-三氯苯降解
• 3.1.3 2,3,4,6-四氯酚降解
• 3.2 超声波/零价铁降解三氯甲烷特性
• 0投加量对CHCl₃ 降解速率的影响'>3.2.1 Fe⁰投加量对CHCl₃降解速率的影响
• 3 降解速率的影响'>3.2.2 溶液初始pH 对CHCl₃降解速率的影响
• 3 降解速率的影响'>3.2.3 初始浓度对CHCl₃降解速率的影响
• 3 降解速率的影响'>3.2.4 超声功率对CHCl₃降解速率的影响
• 3 降解速率的影响'>3.2.5 离子强度对CHCl₃降解速率的影响
• 3.3 超声波/零价铁降解1,2,4-三氯苯特性
• 0 投加量对TCB 降解速率的影响'>3.3.1 Fe⁰ 投加量对TCB 降解速率的影响
• 3.3.2 溶液初始pH 对TCB 降解速率的影响
• 3.3.3 初始浓度对TCB 降解速率的影响
• 3.3.4 超声功率对TCB 降解速率的影响
• 3.3.5 离子强度对TCB 降解速率的影响
• 3.4 超声波/零价铁降解2,3,4,6-四氯酚特性
• 0 投加量对TeCP 降解速率的影响'>3.4.1 Fe⁰ 投加量对TeCP 降解速率的影响
• 3.4.2 溶液初始pH 对TeCP 降解速率的影响
• 3.4.3 初始浓度对TeCP 降解速率的影响
• 3.4.4 超声功率对TeCP 降解速率的影响
• 3.4.5 离子强度对TeCP 降解速率的影响
• 3.5 小结
• 第四章 超声波/零价铁降解氯代有机物QSAR
• 4.1 模型变量选择
• 4.1.1 QSAR 模型活性参数
• 4.1.2 QSAR 模型分子结构参数
• 4.2 PLS 建模
• 4.2.1 超声波/零价铁降解氯代脂肪烃 QSAR
• 4.2.2 超声波/零价铁降解氯苯类QSAR
• 4.2.3 超声波/零价铁降解氯酚类QSAR
• 4.2.4 超声波/零价铁降解氯代有机物QSAR
• 4.3 QSAR 模型分析与预测
• 4.3.1 氯代脂肪烃QSAR 模型
• 4.3.2 氯苯类QSAR 模型
• 4.3.3 氯酚类QSAR 模型
• 4.3.4 氯代有机物QSAR 模型
• 4.4 小结
• 第五章 超声波/零价铁协同机理探讨
• 0 对超声波/零价铁体系平衡的影响'>5.1 Fe⁰对超声波/零价铁体系平衡的影响
• 0 量协同体系pH 变化'>5.1.1 不同Fe⁰ 量协同体系pH 变化
• 0 量协同体系中·OH 生成'>5.1.2 不同Fe⁰ 量协同体系中·OH 生成
• 0量协同体系中H₂O₂ 生成'>5.1.3 不同Fe⁰量协同体系中H₂O₂生成
• 0量协同体系中Fe²⁺生成'>5.1.4 不同Fe⁰量协同体系中Fe²⁺生成
• 0量协同体系中Fe³⁺生成'>5.1.5 不同Fe⁰量协同体系中Fe³⁺生成
• 5.2 溶液PH 对超声波/零价铁体系平衡的影响
• 5.2.1 初始pH 对体系pH 变化的影响
• 5.2.2 溶液pH 对体系中·OH 生成的影响
• 2O₂ 生成的影响'>5.2.3 溶液pH 对体系中H₂O₂生成的影响
• 2+生成的影响'>5.2.4 溶液pH 对体系中Fe²⁺生成的影响
• 3+生成的影响'>5.2.5 溶液pH 对体系中Fe³⁺生成的影响
• 5.3 小结
• 结论与建议
• 结论
• 建议
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士论文期间公开发表的学术论文