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超聲協(xié)同降解水中乙酰甲胺磷的初步研究
論文摘要:采用自制的TiO 為催化劑,探討了TiO /超聲協(xié)同降解水中低濃度乙酰甲胺磷的作用。考察了處理溫度、pH值、超聲聲強(qiáng)、TiO 投加量、及TiO /超聲協(xié)同作用對乙酰甲胺磷降解率的影響。結(jié)果表明:在5℃-20℃之間、超聲1h以內(nèi),溫度越高,超聲時(shí)間越長,乙酰甲胺磷的降解率越高;pH值為3.0的偏酸環(huán)境有利于乙酰甲胺磷的降解;在一定范圍內(nèi),TiO 投加量與乙酰甲胺磷降解率正相關(guān);當(dāng)超聲功率為40 W/cm 時(shí),有利于乙酰甲胺磷降解率的提高;且超聲與TiO 對于乙酰甲胺磷的降解有一定的協(xié)同作用,當(dāng)溫度為20℃,pH值為3.0,超聲頻率25kHz,聲強(qiáng)為40W/cm ,TiO 投加量為0.6g/L時(shí),經(jīng)50min超聲處理后,乙酰甲胺磷的降解率可達(dá)78.3%。
論文關(guān)鍵詞:超聲波,乙酰甲胺磷,降解
當(dāng)前,消費(fèi)者對各種食品安全問題的關(guān)注逐步提高,而食品中的農(nóng)藥殘留問題一直以來都是食品安全不可忽視的重要隱患。食用“農(nóng)藥果蔬”除了可能導(dǎo)致急性中毒如出現(xiàn)皮膚刺激、呼吸不暢、昏迷等癥狀外,還會導(dǎo)致慢性中毒,嚴(yán)重者可誘發(fā)癌癥,導(dǎo)致基因突變,影響下一代的身體健康。加強(qiáng)對食品農(nóng)藥殘留的檢測,防止農(nóng)殘超標(biāo)的產(chǎn)品進(jìn)入市場,固然對控制農(nóng)殘超標(biāo)起到了一定的作用,但由于當(dāng)前農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)過于分散,大部分農(nóng)產(chǎn)品就地生產(chǎn)、就地供應(yīng),也有相當(dāng)數(shù)量的菜是菜農(nóng)進(jìn)城直銷,這樣就不可避免有農(nóng)藥殘留量超標(biāo)的農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)入市場,因此如何有效去除產(chǎn)后農(nóng)產(chǎn)品殘留農(nóng)藥已成為維護(hù)消費(fèi)者健康的一道重要屏障。
在已有的有機(jī)污染物降解方法中,由于單純物理吸附法效率太低,化學(xué)降解法易引起二次污染,而生物降解法的安全性亦受到人們的質(zhì)疑,因此,關(guān)于農(nóng)藥降解技術(shù)的研究是當(dāng)前環(huán)境保護(hù)及食品安全控制領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)問題。研究表明,TiO具有抗化學(xué)、光腐蝕,性質(zhì)穩(wěn)定,無毒,催化活性高,反應(yīng)速度快,對有機(jī)物的降解無選擇性,且能夠使之徹底礦化等許多獨(dú)特的性質(zhì)。因此,TiO應(yīng)用于有機(jī)物降解的研究也很多。如LuCS等研究了TiO應(yīng)在紫外光下對水溶液中吖啶橙的降解,結(jié)果發(fā)現(xiàn)在24h內(nèi)的降解率達(dá)到99.7%。此外,由于超聲波具有空化效應(yīng),機(jī)械效應(yīng),熱效應(yīng)以及化學(xué)效應(yīng),用超聲波輔助降解水中有機(jī)物也是近年來一項(xiàng)新型水處理技術(shù)。從總體來看,超聲波降解法能耗較高、效率低、費(fèi)用較大,如DukkanclM等在超聲條降下降解初始濃度為0.21g/mL的乙二酸,在溫度為40℃、超聲功率為112W時(shí),乙二酸的降解率僅有10%左右。而單純TiO催化降解法也存在降解時(shí)間長、降解率低的問題,張勇等用TiO薄膜催化劑降解初始濃度為0.0478mmol/L的甲胺磷,18h后,甲胺磷的降解率僅有45%左右。因此,有必要探索一種高效、安全的農(nóng)藥降解方法,既能降低成本,又能提高農(nóng)藥的降解效率?紤]到超聲波強(qiáng)大的空化效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)在一定程度上可以增加催化劑和水中有機(jī)物的碰撞效率,從而可以促進(jìn)水中有機(jī)物的降解,王君等采用納米銳鈦礦催化超聲降解甲基對硫磷,50min降解率可達(dá)95%以上,但目前尚未見超聲協(xié)同TiO降解水中乙酰甲胺磷的研究。因此,本文就超聲協(xié)同TiO降解水中乙酰甲胺磷進(jìn)行了初步的探索,以為后期有機(jī)磷農(nóng)藥的快速降解研究提供必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
1材料和方法
1.1主要材料與儀器
TiO:自制(鈦酸四丁酯水解法)
乙酰甲胺磷原藥(98.3%):購于上海農(nóng)藥研究所
超聲細(xì)胞粉碎機(jī):JY92-Ⅱ,寧波生物科技股份有限公司
紫外-可見分光光度計(jì):UV-1700,日本島津公司
低溫恒溫槽:THD-0510,寧波天恒儀器廠
實(shí)驗(yàn)室pH計(jì):雷磁PHSJ-4A,上海精科儀器有限公司
試驗(yàn)用水均為去離子水
所有化學(xué)試劑均為分析純,購于上海高信化玻儀器有限公司
1.2試驗(yàn)方法
1.2.1農(nóng)藥標(biāo)準(zhǔn)液的配制
將乙酰甲胺磷原藥配制成濃度為0.1g/L的農(nóng)藥標(biāo)準(zhǔn)液,置于棕色瓶中暗箱保存,試驗(yàn)時(shí)根據(jù)所需的濃度進(jìn)行稀釋。
1.2.2樣品處理
預(yù)先將低溫恒溫槽設(shè)定為試驗(yàn)所需溫度,取0.1g/L的農(nóng)藥標(biāo)準(zhǔn)液1mL于50mL容量瓶中,充分搖勻后移入恒溫反應(yīng)器中,加入一定量TiO,調(diào)節(jié)溶液pH值,將超聲波探頭置于反應(yīng)液面下約15mm處,開啟超聲波發(fā)生器進(jìn)行試驗(yàn)。超聲處理試驗(yàn)設(shè)定時(shí)間后,過濾,移取40mL濾液于50mL容量瓶中,采用磷鉬藍(lán)法測定溶液的吸光度。
1.2.3磷酸根濃度-吸光度的標(biāo)準(zhǔn)曲線
分別取0mL(空白)、1mL、2mL、3mL、5mL、8mL磷標(biāo)準(zhǔn)溶液于6個(gè)50mL容量瓶中,用去離子水稀釋至約40mL。依次加入2.0mL鉬酸銨溶液、1.0mL抗壞血酸溶液,用水稀釋至刻度,搖勻,于室溫下放置10min。在分光光度計(jì)710nm處,用1cm吸收池,以空白調(diào)零測吸光度。以得到的吸光度為縱坐標(biāo),相對應(yīng)的磷酸根濃度為橫坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。
1.2.4溫度對降解率的影響
取0.1g/L的農(nóng)藥標(biāo)準(zhǔn)液1mL于50mL容量瓶中,充分搖勻后移入恒溫反應(yīng)器中,調(diào)節(jié)pH值為3.0,加入0.03gTiO,將超聲波探頭置入恒溫反應(yīng)器中,設(shè)定超聲聲強(qiáng)為40W/cm,溫度分別為5℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃,每個(gè)樣品超聲處理30min后,過濾,移取40mL濾液并用磷鉬藍(lán)法測定處理后溶液中無機(jī)磷的含量,然后計(jì)算乙酰甲胺磷的降解率η。計(jì)算公式:
η=(P/P)×100%
式中,P和P分別為超聲處理反應(yīng)液中有機(jī)磷總含量和處理t時(shí)間后無機(jī)磷的含量。
1.2.5pH值對降解率的影響
取0.1g/L的農(nóng)藥標(biāo)準(zhǔn)液1mL于50mL容量瓶中,充分搖勻后移入恒溫反應(yīng)器中,分別調(diào)節(jié)溶液pH值為1、3、5、7、9、11。加入0.03gTiO,保持冷阱內(nèi)溶液溫度為20℃,在40W/cm超聲處理30min,用磷鉬藍(lán)法測定乙酰甲胺磷的降解率,并以pH值對乙酰甲胺磷降解率作圖。
1.2.6超聲聲強(qiáng)對降解率的影響
預(yù)先設(shè)定低溫恒溫槽的溫度為20℃,取0.1g/L的農(nóng)藥標(biāo)準(zhǔn)液1mL于50mL容量瓶中,充分搖勻后移入恒溫反應(yīng)器中,加入0.03gTiO,調(diào)節(jié)溶液pH值為3.0,超聲聲強(qiáng)分別為20W/cm、30W/cm、40W/cm、50W/cm、60W/cm,樣品分別超聲處理10min、20min、30min、40min、50min、60min后,用磷鉬藍(lán)法測定乙酰甲胺磷的降解率,以不同功率下超聲時(shí)間對乙酰甲胺磷降解率作圖。
1.2.7TiO投加量對降解率的影響
預(yù)先設(shè)定低溫恒溫槽的溫度為20℃,取0.1g/L的農(nóng)藥標(biāo)準(zhǔn)液1mL于50mL容量瓶中,充分搖勻后移入恒溫反應(yīng)器中,TiO的投加量分別為0.2g/L、0.4g/L、0.6g/L、0.8g/L、1.0g/L,調(diào)節(jié)溶液pH為3.0,在40W/cm超聲處理30min,用磷鉬藍(lán)法測定乙酰甲胺磷的降解率,以TiO投加量對乙酰甲胺磷降解率作圖。
1.2.8超聲功率和TiO投加量對降解率的協(xié)同作用
預(yù)先設(shè)定低溫恒溫槽的溫度為20℃,取0.1g/L的農(nóng)藥標(biāo)準(zhǔn)液1mL于50mL容量瓶中,充分搖勻后移入恒溫反應(yīng)器中,調(diào)節(jié)溶液pH值為3.0,依次以超聲功率20W/cm,TiO投加量1.0g/L;30W/cm,0.8g/L;40W/cm,0.6g/L;50W/cm,0.4g/L;60W/cm,0.2g/L進(jìn)行試驗(yàn),用磷鉬藍(lán)法測定乙酰甲胺磷的降解率,以不同超聲時(shí)間對降解率作圖。
1.3數(shù)據(jù)分析處理
每組試驗(yàn)均重復(fù)3次,應(yīng)用SPSS18.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,采用ANOVA進(jìn)行Duncan多重檢驗(yàn)分析,并進(jìn)行多重比較,以P(差異顯著)作為差異顯著性判斷標(biāo)準(zhǔn),用Origin8.0軟件進(jìn)行圖形繪制。
2結(jié)果與分析
2.1磷酸根濃度-吸光度標(biāo)準(zhǔn)曲線
在磷鉬藍(lán)比色法中,磷酸根濃度與吸光度成正比,通過磷酸根濃度-吸光度標(biāo)準(zhǔn)曲線可以得到曲線方程,把測得的吸光度值代入曲線方程就可以得到降解后的磷酸根離子濃度。磷酸根濃度-吸光度標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖1所示。
圖1磷酸根濃度-吸光度標(biāo)準(zhǔn)曲線
Fig.1ThestandardcurvebetweenconcentrationofPOandabsorbance
由圖1可知,曲線方程為
,R=0.9995。線性關(guān)系良好,說明磷酸根濃度-吸光度標(biāo)準(zhǔn)曲線可以滿足后期試驗(yàn)分析要求。
2..2溫度對乙酰甲胺磷降解率的影響
由于超聲會產(chǎn)生的一定的熱效應(yīng),這在一定程度上會抑制乙酰甲胺磷的降解,因此控制試驗(yàn)的溫度是十分必要的。溫度對乙酰甲胺磷降解率的影響如圖2所示。
圖2溫度對乙酰甲胺磷降解率的影響
Fig.2Effectoftemperatureondegradationofacephate
圖2表明,反應(yīng)溫度對乙酰甲胺磷的降解有重要影響。隨著溫度由5℃升至20℃,乙酰甲胺磷的降解率也隨之顯著升高(P),這是由于,溫度升高使得反應(yīng)體系的分子熱運(yùn)動(dòng)加快,從而增加了乙酰甲胺磷分子與TiO之間的接觸機(jī)會,促進(jìn)了乙酰甲胺磷的降解;但是,當(dāng)溫度繼續(xù)由20℃升至至30℃時(shí),此時(shí)乙酰甲胺磷的降解率則無顯著差異(P>0.05),這是由于,當(dāng)溫度超過一定范圍時(shí),隨著溫度的繼續(xù)增加,會造成農(nóng)藥分子之間的無效碰撞增多,從而使乙酰甲胺磷的降解率略有下降。本試驗(yàn)條件下,溫度為20℃有利于乙酰甲胺磷的降解,30min后降解率可達(dá)48.1%;只加TiO不超聲條件下,30min后乙酰甲胺磷的降解率僅為2.3%;而同樣的溫度條件下,單純超聲30min后,乙酰甲胺磷的降解率也僅有17.1%。這也初步證明超聲與TiO有一定的協(xié)同降解作用。
2.3pH值對乙酰甲胺磷降解率的影響
選擇適當(dāng)?shù)膒H值對于提高乙酰甲胺磷的降解效果具有重要意義。本研究中pH值對乙酰甲胺磷降解率的影響如圖3所示。
圖3pH值對乙酰甲胺磷降解率的影響
Fig.3EffectofpHvalueofsolutionondegradationofacephate
由圖3可知,總體而言,隨降解時(shí)間的延長,各pH條件下的乙酰甲胺磷的降解率均呈升高趨勢,但溶液的pH值不同,乙酰甲胺磷的降解程度亦有差別。這是由于,一方面,乙酰甲胺磷農(nóng)藥含有P=O和C=O雙鍵,在酸性溶液或堿性條件下,親核物質(zhì)易使其雙鍵發(fā)生斷裂;另一方面,是由于超聲降解一般發(fā)生在空化核或空化氣泡的氣-液界面處,而溶液pH的調(diào)節(jié),有利于乙酰甲胺磷以分子形態(tài)存在,使其更易于揮發(fā)進(jìn)入氣泡核內(nèi)部,從而促進(jìn)乙酰甲胺磷的降解。此外,由于TiO是一種兩性金屬氧化物,其在水溶液中的等電點(diǎn)約為pH=6,在低pH時(shí),H會與被吸附在催化劑表面上的O先結(jié)合生成HO,再進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)?middot;OH;在高pH時(shí),
則易于在TiO表面上失去一個(gè)電子形成·OH,·OH具有極強(qiáng)的氧化性,有利于乙酰甲胺磷的降解。降解30min后,乙酰甲胺磷降解率由高至低的順序?yàn)椋簆H3>pH5>pH7>pH9>pH11>pH1(P),其中,pH=1時(shí)的降解效果相對偏低是由于
濃度過高,不利于水的電離,使
的濃度降低,從而導(dǎo)致·OH的濃度降低,影響了乙酰甲胺磷的降解效果。因此,本研究選擇pH=3作為降解的最適pH值,降解50min后,乙酰甲胺磷的降解率為78.3%。
2.4超聲功率對乙酰甲胺磷降解率的影響
選擇合適的超聲功率既可以提高乙酰甲胺磷的降解效率,又可以減少不必要的能源浪費(fèi)。超聲功率對乙酰甲胺磷降解率的影響如圖4所示。
圖4超聲功率對乙酰甲胺磷降解率的影響
Fig.4Effectofultrasonicpowerondegradationofacephate
圖4表明,在試驗(yàn)范圍內(nèi),超聲功率對乙酰甲胺磷的降解有顯著影響。隨超聲時(shí)間延長,各超聲功率下的乙酰甲胺磷的降解率均呈升高趨勢,但超聲功率為40W/cm、50W/cm和60W/cm的三組試驗(yàn)的乙酰甲胺磷的降解率顯著高于30W/cm和20W/cm兩組的試驗(yàn)結(jié)果(P),而這三種功率對乙酰甲胺磷的降解效果無顯著性差別(P>0.05)。這是由于,超聲聲強(qiáng)的增大即增加了單位面積上的超聲波強(qiáng)度,從而使超聲空化效應(yīng)加強(qiáng),空化泡內(nèi)的溫度、壓力也隨之增強(qiáng),這種極端的物理化學(xué)環(huán)境更有利于乙酰甲胺磷的降解,從而使降解率也隨之提高;但當(dāng)超聲波聲強(qiáng)增大到一定量以后,超聲波又起到自由基清除劑的作用,超聲波在加速傳質(zhì)與活化催化劑表面的同時(shí)也對催化劑表面的吸附造成一定程度的洗脫,使乙酰甲胺磷在催化劑表面停留時(shí)間縮短,導(dǎo)致其降解率不能進(jìn)一步提高甚至?xí)邢陆档内厔。因此,從提高降解效果和?jié)能的角度綜合考慮,應(yīng)選擇的超聲波功率為40W/cm,降解50min后,乙酰甲胺磷的降解率為78.3%。
2.5TiO投加量對乙酰甲胺磷降解率的影響
在超聲功率一定的條件下,合適的TiO投加量對乙酰甲胺磷降解率的影響就很明顯了。TiO投加量對乙酰甲胺磷降解率的影響如圖5所示。
圖5TiO添加量對乙酰甲胺磷降解率的影響
Fig.5EffectofTiOconcentrationondegradationofacephate
由圖5可知,當(dāng)超聲功率為40W/cm、TiO濃度低于0.6g/L時(shí),隨著催化劑投加量增加,乙酰甲胺磷的降解率也顯著增加(P),但當(dāng)TiO濃度高于0.6g/L時(shí),乙酰甲胺磷降解率無顯著差異(P>0.05)。這是由于,隨著催化劑TiO量的增加,提高了水中羥自由基的產(chǎn)生速率,促進(jìn)了水中有機(jī)物降解。當(dāng)TiO用量足以保證自由基鏈引發(fā)時(shí),則可以顯著提高乙酰甲胺磷的降解率。但過多的催化劑會對超聲波產(chǎn)生一定屏蔽作用,從而造成了乙酰甲胺磷降解率的降低。因此,在其它條件不變的情況下,從能耗和催化劑利用率角度考慮,農(nóng)藥初始濃度為2.0mg/L時(shí),應(yīng)選擇的TiO用量為0.6g/L。
2.6超聲功率和TiO添加量對乙酰甲胺磷降解率的協(xié)同作用
從圖2中可以發(fā)現(xiàn),超聲與TiO對于乙酰甲胺磷的降解有一定的協(xié)同作用;同時(shí),圖5的結(jié)果亦表明,在一定條件下,增加TiO用量可以提高乙酰甲胺磷的降解效果。因此,考慮通過增加超聲功率、減少TiO用量或者降低超聲功率、增加TiO用量來提高乙酰甲胺磷的降解效果。超聲功率和TiO添加量對乙酰甲胺磷降解率的協(xié)同作用如圖6所示。
圖6超聲功率和TiO添加量對乙酰甲胺磷降解率的協(xié)同作用
Fig.6SynergisticeffectbetweenultrasonicpowerandtheconcentrationofTiOonthedegradationofacephate
由圖6可知:在相同的降解時(shí)間內(nèi),不同超聲功率與TiO添加量的組合對乙酰甲胺磷降解率的影響也不同。降解50min后,降解率由高至低的順序?yàn)椋篵、c(77.6%、78.3%)>d(58.1%)>a(50.6%)>e(42.7%)(P);c組的結(jié)果略高于b組,但差異不顯著(P>0.05)。由此表明,超聲降解和TiO催化降解在一定程度上可以相互協(xié)同。本研究中,可選擇超聲功率40W/cm,TiO濃度0.6g/L的組合進(jìn)行乙酰甲胺磷的降解。
3結(jié)論
(1)本試驗(yàn)條件下,溫度為20℃有利于乙酰甲胺磷的降解,30min后降解率可達(dá)48.1%,只加TiO不超聲條件下,乙酰甲胺磷的降解率僅為2.3%,而單純超聲條件下,30min后降解率也僅有17.1%,初步證明超聲與TiO有一定的協(xié)同降解作用;
(2)pH值偏酸性條件有利于乙酰甲胺磷的降解,pH=3時(shí),降解50min后,乙酰甲胺磷的降解率為78.3%;
(3)超聲功率對乙酰甲胺磷的降解有顯著影響,當(dāng)超聲功率為40W/cm時(shí),有利于乙酰甲胺磷降解率的提高,再繼續(xù)提高功率對乙酰甲胺磷的降解意義不大;
(4)在底物的濃度一定的條件下,TiO投加量對乙酰甲胺磷的降解有顯著影響,當(dāng)TiO濃度為0.6g/L時(shí)有利于乙酰甲胺磷的降解;
(5)超聲和添加TiO對于乙酰甲胺磷的降解有一定的協(xié)同作用,超聲功率為40W/cm、TiO投加量為
0.6g/L時(shí),經(jīng)50min處理后,乙酰甲胺磷的降解率可達(dá)78.3%。
參考文獻(xiàn)
1 柳琪,滕葳 . 農(nóng)藥使用技術(shù)與殘留危害風(fēng)險(xiǎn)評估[M] . 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2009.
2 Tejomyee S B, Pravin R P . Biodegradation of organochlorine pesticide, endosulfan, by a fungal soil isolate, Aspergillus niger [J] . International Biodeterioration﹠Biodegradation, 2007, 59(4) : 315-321.
3 張金龍,陳鋒,何斌 . 光催化[M].上海: 華東理工大學(xué)出版社, 2004.
4 Lu C S, Mai F D, Wu C W, et al . Titanium dioxide-mediated photocatalytic degeadation of Acridine Orange in aqueoussuspensions under UV irriadiation [J] . Dyes and Pigments, 2008, 76(3) :706-713.
5 張光明,常愛敏,張盼月 . 超聲波水處理技術(shù)[M]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2006.
6 Dukkancl M, Gunduz G . Ultrasonic degradation of oxalic acid in aqueous solutions [J] . Ultrasonic Sonochemistry, 2006,13(6) :517-522.
7 張勇,鄧昭平,蘇茜,等 . TiO 光催化降解有機(jī)磷農(nóng)藥的機(jī)理和應(yīng)用研究[J] .成都理工大學(xué)學(xué)報(bào),2005,32(4): 386-390.
8 王君,潘志軍,張朝紅,等 . 納米銳鈦型TiO 催化超聲降解甲基對硫磷農(nóng)藥的研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2005, 25(6) : 761-765.
9 高濂,鄭珊,張青紅 . 納米氧化鈦光催化材料及其應(yīng)用[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社,2002.
10 GB6913-2008 . 鍋爐用水和冷卻水分析方法磷酸鹽的測定[S].
11 清山哲郎著,黃敏明譯 . 金屬氧化物及其催化作用[M]. 合肥: 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,1991.
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