文献速递 | JHM:Cu(II)强化臭氧氧化恶臭物质的新见解:抑制自由基的形成以促进臭氧的利用

文摘   其他   2024-11-23 08:04   北京  
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第一作者:Xiaoqing Lin    

通讯作者:吴德礼 教授

通讯单位:同济大学环境科学与工程学院

DOI:10.1016/j.jhazmat.2022.130190









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金属强化臭氧可以极大地促进有机物的分解;但是,这种方法是否有利于恶臭化合物的降解以及可能的机制还不是很清楚。本研究选择了9种典型的恶臭化合物,揭示了Cu(II)强化臭氧可以极大地促进脂肪胺的腐化,因为臭氧的直接氧化作用得到加强,促进了臭氧的利用效率。此外,微量Cu(II)可以将观察到的二甲胺和三甲胺的速率常数分别提高48.9%和155.7%,Cu(II)用量是决定因素,使用响应面方法研究初始pH、Cu(II)用量和臭氧用量之间的相互作用。这些结果表明,•OH和O2•–的形成被抑制而不是被促进,这与之前报道的一些Cu(II)增强臭氧的对应关系有很大不同。此外,微量Cu(II)的增强效果在单一和复杂的恶臭化合物中都有表现。阐明了氮元素和硫元素的转化途径,含氮恶臭化合物的氮元素被定向矿化为NO3-N,而含硫恶臭化合物的气味特征则消失了。这些发现为利用金属离子来提高恶臭化合物的直接臭氧氧化能力提供了新的启示。







图文摘要





同位素标记技术

图文导读

Fig. 1The schematic diagram of the ozone oxidation experimental setup.


Fig. 2Respective decays of ID, 3-ID, IAA, DMA, TMA, H2S, MT, DMS, and DMDS in the O3 alone and Cu(II)/O3 processes (a); DMA decay and O3 consumption in different pH values (b, d) and Cu(II) dosage (c, e). Experimental conditions: pH = 7.7, [Cu(II)]0 = 10 μM, [ID]0 = [3-ID]0 = [IAA]0 = [DMA]0 = [TMA]0 = [H2S]0 = [MT]0 = [DMS]0 = [DMDS]0 = 0.2 mM for (a); [Cu(II)]0 = 10 μM, [DMA]0 = 0.3 mM for (a, c); pH = 7.7, [DMA]0 = 0.3 mM for (b, d).


Fig. 3Interactive effects between Cu(II) dosage and ozone dosage (pH = 5.5) (a), Cu(II) dosage and ozone dosage (pH = 7.7) (b), Cu(II) dosage and ozone dosage (pH = 9.3) (c), pH and ozone dosage (Cu(II) dosage = 0 μM) (d), pH and ozone dosage (Cu(II) dosage = 5 μM) (e), pH and ozone dosage (Cu(II) dosage = 10 μM) (f), pH and Cu(II) dosage (ozone dosage = 16 μM) (g), pH and Cu(II) dosage (ozone dosage = 32 μM) (h), pH and Cu(II) dosage (ozone dosage = 64 μM) (i) with the 2D response surfaces for ozone utilization in the Cu(II)/O3 process.


Fig. 4XRD pattern of reaction products (a), the morphological distribution of Cu(II) under different pH conditions using MINTEQ software (b), comparison of the effect of CuO or Cu(II) addition on DMA decay by ozone (c), recycling performance of Cu(II) (d). Experimental conditions: [Cu(II)]0 = 10 μM for (a); pH = 7.7, [Cu(II)]0 = 10 μM, [DMA]0 = 0.2 mM for (b); pH = 7.7, [O3]0 = 32 μM, [DMA]0 = 0.3 mM for (c); pH = 7.7, [Cu(II)]0 = 10 μM, [DMA]0 = 2.0 μM, [DMA]i = 1.0 μM, [O3]i = 3.2 μM for (d).


Fig. 5ESR spectra for the detection of the DMPO-O2•– adduct (a), H2O2 production (b), OH production (c), and CHCl3 quenching experiments (d) in the absence or the presence of Cu(II). Experimental conditions: pH = 7.7, [Cu(II)]0 = 20 μM for (a); pH = 7.7, [Cu(II)]0 = 10 μM for (b); pH = 7.7, [Cu(II)]0 = 10 μM, [TBA]= 50 mM for (c); pH = 7.7, [Cu(II)]0 = 10 μM, [DMA]0 = 20 μM, [CHCl3] = 2.0 mM, reaction time = 20 min for (d).


Fig. 6Decay of complex malodorous compounds (ID, 3-ID, DMA, TMA, H2S, MT, DMS, and DMDS) in the O3 alone (a) and Cu(II)/O3 process (b), and conversion of nitrogen (c) and sulfur (d) during ozone oxidation. Experimental conditions: pH = 7.7, [Cu(II)]0 = 0 or 10 μM, [ID]0 = [3-ID]0 = [IAA]0 = [DMA]0 = [TMA]0 = [H2S]0 = [MT]0 = [DMS]0 = [DMDS]0 = 0.1 mM.








研究结论

在这项研究中,由性能实验、相互作用实验、ESR光谱和淬火实验组成的综合分析证实,微量Cu(II)可以抑制自由基的形成,促进DMA的衰减,这归因于臭氧的直接氧化。此外,Cu(II)的用量是决定性因素,用响应面方法研究初始pH值、Cu(II)用量和臭氧用量之间的交互影响。对反应性物种的分析表明,Cu(II)可以改变臭氧分解的连锁反应,导致-OH的产生减少,从而降低了臭氧的无效分解。溶液中的Cu(OH)2与臭氧氧化过程中产生的H2O2反应,最终产生CuO固体,有利于回收。同时,加入微量Cu(II)后,对复杂的恶臭污染物也有良好的表现,每种恶臭污染物之间的竞争取决于它们与臭氧的反应性。加入Cu(II)后,明显促进了含氮恶臭污染物的氮的定向矿化,变成NO3-N,而不是NH3-N。虽然对含硫恶臭污染物的硫的矿化没有明显影响,但臭氧产物的气味特征消失了,极性明显增强,在避免二次污染的同时,增加了污染物在水中的溶解度。



Lin, X.; Ma, C.; Wu, D. New Insight into the Enhanced Ozonation of Malodorous Compounds by Cu(II): Inhibiting the Formation of Free Radicals to Promote Ozone Utilization. Journal of Hazardous Materials 2023, 443, 130190. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2022.130190.




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