宣麗爽,秦傳玉,張成武,張婧懿,袁 芳（吉林大學(xué)新能源與環(huán)境學(xué)院,吉林 長春 130021）

對硝基酚（PNP）是苯酚最重要的衍生物之一,經(jīng)常被用作農(nóng)藥、合成染料和有機(jī)化學(xué)生產(chǎn)中的原料[1],具有致畸、致癌、致突變等危害.環(huán)境水體中PNP的廣泛存在已經(jīng)嚴(yán)重威脅了環(huán)境安全和人體健康[2-4].PNP具有很強(qiáng)的抗氧化能力,在厭氧的水體環(huán)境中硝基的還原是主要的轉(zhuǎn)化途徑.

亞鐵離子（Fe2+）是一種十分常見的還原劑,在缺氧或厭氧的條件下能還原多種污染物[5-7].研究發(fā)現(xiàn),乙二胺四乙酸鹽（EDTA）、次氮基三乙酸鹽（NTA）、草酸鹽、多聚磷酸鹽等配體的加入可以顯著降低Fe3+/Fe2+的氧化還原電位,提高Fe2+的還原能力[8-10].同時,鐵離子與配體形成的絡(luò)合物也能防止生成沉淀,提高 Fe2+的利用率.Buerge等[11]研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)配體（檸檬酸鹽、草酸鹽、水楊酸鹽、酒石酸鹽、次氮基三乙酸鹽）與 Fe2+絡(luò)合后能促進(jìn) Fe2+還原 Cr6+.但是,對于難降解的硝基芳香化合物（對硝基甲苯、對硝基酚、氯代硝基苯等）,Fe2+和配體絡(luò)合后也難以將其還原.近年來,人們發(fā)現(xiàn)天然水體環(huán)境中存在的溶解性有機(jī)質(zhì)（DOM）可以作為電子穿梭體加快電子向還原性物質(zhì)的轉(zhuǎn)移,常用于還原硝基芳香化合物[12-14].Hofstetter等[15]發(fā)現(xiàn) DOM 介導(dǎo)針鐵礦懸浮液中表面結(jié)合的Fe（II）還原五氯硝基苯（PCNB）的還原率是沒有DOM體系的8倍.Scott等[16]通過電子自旋共振測量的結(jié)果證明了腐殖質(zhì)中的醌基團(tuán)是介導(dǎo)硝基芳香化合物還原的重要官能團(tuán),醌基團(tuán)從電子供體處得到電子生成半醌自由基,由半醌自由基還原硝基芳香化合物.

綜上,配體和DOM均在一定程度上提高了Fe2+的還原能力,但是配體和DOM同時存在時對Fe2+還原轉(zhuǎn)化污染物的作用規(guī)律目前尚不明確.三聚磷酸鈉（STPP）作為一種代表性配體,在工業(yè)生產(chǎn)中作為食品添加劑被廣泛使用[17],在水體環(huán)境中也檢測到其存在,并且其對于 Fe2+還原促進(jìn)效果明顯優(yōu)于其他配體.2-羥基-1,4-萘醌（LQ,C10H6O3）作為代表性DOM,是一種具有共軛醌式結(jié)構(gòu)的溶解性有機(jī)質(zhì),廣泛存在于自然界中[18].LQ被還原得到中間體半醌自由基,中間體可進(jìn)一步還原其他氧化態(tài)化合物[19].本文模擬厭氧水體環(huán)境,考察Fe2+、配體、DOM三者存在的情況下對污染物還原轉(zhuǎn)化的影響.選取FeSO4作為 Fe2+源,探討不同影響因素（組分、初始pH值、LQ濃度、STPP濃度、Fe2+濃度）下,PNP還原轉(zhuǎn)化效果及規(guī)律,確定實(shí)驗(yàn)體系的最佳反應(yīng)條件,并研究了不同組分對電子傳遞機(jī)制的影響,為理解天然的厭氧水體環(huán)境中DOM強(qiáng)化電子傳遞還原轉(zhuǎn)化污染物提供一定的理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑

2-羥基-1,4-萘醌（分析純,阿拉丁試劑有限公司）;對硝基酚（分析純,天津光復(fù)精細(xì)化工研究所）;三聚磷酸鈉（分析純,天津光復(fù)精細(xì)化工研究所）;七水合硫酸亞鐵（分析純,天津光復(fù)精細(xì)化工研究所）;乙二胺四乙酸二鈉（分析純,天津光復(fù)精細(xì)化工研究所）;腐殖酸（分析純,麥克林生化科技有限公司）;黃腐酸（分析純,麥克林生化科技有限公司）;抗壞血酸（分析純,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）;乙酸（分析純,天津光復(fù)精細(xì)化工研究所）,乙酸銨（分析純,天津光復(fù)精細(xì)化工研究所）;1,10-菲咯啉（分析純,天津光復(fù)精細(xì)化工研究所）;氮?dú)猓ㄩL春巨洋氣體有限責(zé)任公司）

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

分析天平（PL203,梅特勒-托利多儀器公司）;pH計（PHB-4,上海雷磁）;ORP計（PHB-4,上海雷磁）;磁力攪拌器（HJ-6A,金壇市醫(yī)療儀器廠）;紫外-可見分光光度儀（EVOLUTION 201,賽默飛世爾科技公司）;高效液相色譜儀（Agilent1100,美國 Agilent）;氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（Agilent 6890/5973,美國Agilent）

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)在250mL密封瓶中進(jìn)行,取200mL濃度為10mg/L的PNP溶液,持續(xù)通入30min以上的氮?dú)庥糜隍?qū)替溶液的溶解氧.隨后依次投入一定量的LQ和STPP,攪拌使其完全溶解.用1mol/L的HCl和NaOH將溶液的 pH值調(diào)到 5.0,最后向其中加入一定量的FeSO4,實(shí)驗(yàn)計時開始.反應(yīng)過程中,在既定時間用注射器扎針取樣取出 0.5mL樣品,然后迅速加入足量的 1,10-菲咯啉溶液終止反應(yīng).如無特殊說明,體系Fe2+濃度為25mmol/L,STPP濃度為6.25mmol/L,LQ濃度為50mg/L.每組設(shè)3個平行樣取平均值,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)誤差不超過5%.

1.4 測試方法

1.4.1 高效液相色譜法 運(yùn)用高效液相色譜法測定 PNP的含量.色譜柱型號為 SB-C18（4.6mm×250mm,5μm）,采用等度洗脫,流動相比例為乙腈:0.1%甲酸=50:50.進(jìn)樣量為20μL,流速為1mL/min,柱溫為 30°C,VWD 波長為 317nm,出峰時間為 2.2min左右.LQ的測試方法:色譜柱型號和洗脫方式同上,流動相比例為甲醇:水=60:40.進(jìn)樣量為20μL,流速為 1mL/min,柱溫為 30°C,VWD 波長為269nm,出峰時間為1.4min左右.

1.4.2 氣相色譜-質(zhì)譜（GC-MS）聯(lián)用法 GC-MS樣品前處理過程如下:在不同的反應(yīng)時間（0,10,45,120,240min）收集200mL樣品,加入乙酸乙酯進(jìn)行萃取,將上層清液取出加入適量無水硫酸鈉干燥脫水,將脫水后的溶液迅速倒入 65℃的旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀中,蒸發(fā)濃縮后用 0.22μm濾膜過濾得到 GC-MS所需的樣品.測試條件如下:以不分流模式注入1μL樣品,色譜柱溫度以20℃/min的速度從40℃升到200℃保持4min,以 10℃/min的速度從 200℃升到 250℃保持5min.在EI模式下獲得質(zhì)譜,電子能量為70eV.

1.4.3 不同價態(tài)鐵離子的測試方法 可溶性鐵的濃度采用 1,10-菲咯啉顯色法測定[20].Fe2+在pH=3～9時與1,10-菲咯啉反應(yīng)生成穩(wěn)定的橙紅色絡(luò)合物,橙紅色絡(luò)合物的吸光度與濃度的關(guān)系符合朗伯-比爾定律,可通過測定橙紅色絡(luò)合物在510nm波長處的吸光度換算出溶液中Fe2+的濃度.加入抗壞血酸將Fe3+還原為Fe2+,由此可以得到總鐵的濃度.溶液中的濃度可通過式（1）和式（2）計算得到.應(yīng)用Excel2010、OriginPro8.5進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理與作圖.

式中:A為吸光度;CtotalFe為溶液中總鐵濃度,CFe2+為溶液中Fe2+濃度,CFe3+為溶液中Fe3+濃度.

2 結(jié)果與討論

2.1 體系組分對PNP還原的影響

對比不同體系組分時PNP的還原效果,如圖1所示,單獨(dú) Fe2+、單獨(dú) LQ、Fe2+/STPP 體系、Fe2+/LQ體系對 PNP幾乎均無還原效果.在 Fe2+/STPP/LQ體系中,前10min內(nèi)PNP迅速還原,之后幾乎不再變化,在240min時PNP的還原率達(dá)31.2%,證明只有在 Fe2+、STPP、LQ三者均在的情況下才可以還原PNP.

圖1 不同組分體系中PNP的還原效果Fig.1 Reduction effect of PNP in different Component systems

2.2 初始pH值對PNP還原的影響

由圖2（a）可知,在反應(yīng)240min內(nèi),初始pH值為3,5,7,9時體系對PNP均有一定的還原效果.體系最佳反應(yīng)在pH=5.在pH=3條件下PNP還原效果略有下降,這是因?yàn)樗羞^多的 H+會使 STPP發(fā)生質(zhì)子化,喪失 STPP的配位絡(luò)合作用.pH=9時,鐵離子與OH-易形成沉淀抑制Fe2+提供電子的能力.因此實(shí)驗(yàn)選取pH=5進(jìn)行后續(xù)的研究.

2.3 不同DOM對PNP還原的影響

如圖2（b）所示,與LQ作為電子穿梭體的體系相比,腐殖酸和黃腐酸作為電子穿梭體的體系對 PNP的還原效果均沒有LQ作為電子穿梭體還原PNP的效果好,這是因?yàn)楦乘岷忘S腐酸等腐殖質(zhì)的氧化還原電位都偏高[21],與 Fe3+/Fe2+的氧化還原電位相近.相較于腐殖酸和黃腐酸而言,LQ更易被Fe2+還原,因此選用LQ作為代表性有機(jī)質(zhì).

2.4 不同配體對PNP還原的影響

如圖2（c）所示,與PNP在Fe2+/STPP/LQ體系中的還原相比,Fe2+/EDTA/LQ體系對PNP幾乎無還原效果.根據(jù) Wang等[10]的研究可知,加入 EDTA 后Fe3+/Fe2+的氧化還原電位僅降至150mV,而加入TPP后,Fe3+/Fe2+的氧化還原電位降至-230mV.LQ的氧化還原電位為-137mV,只有當(dāng) Fe3+/Fe2+的氧化還原電位低于 LQ的氧化還原電位時,Fe2+才可以向 LQ傳遞電子,因此EDTA作為配體時體系無法還原PNP,而STPP作為配體時體系才可以還原PNP.

2.5 LQ、STPP濃度對PNP還原的影響

如圖2（d）和圖2（e）所示,在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi),隨著LQ濃度的增加,PNP的去除率逐漸提高,但 LQ濃度達(dá)到50mg/L后PNP的去除率不再升高,不同STPP濃度的條件下對 PNP的還原效果沒有明顯差別.Hakala等[22]利用 Fe（II）和 DOM 還原五氯硝基苯的研究結(jié)果表明,體系的反應(yīng)性不受DOM 的濃度和種類的顯著影響,這是因?yàn)殡娮哟┧篌w介導(dǎo)的還原反應(yīng)的動力學(xué)主要受熱力學(xué)參數(shù)的控制,即電子穿梭體的氧化還原電位,因此STPP對于 LQ介導(dǎo) Fe2+還原 PNP的過程僅起到降低Fe3+/Fe2+氧化還原電位的作用,STPP濃度對PNP還原的影響較小.分別選用LQ濃度為50mg/L、STPP濃度為6.25mmol/L進(jìn)行后續(xù)的實(shí)驗(yàn).

圖2 不同條件因素對PNP還原的影響Fig.2 Effect of different conditions on reduction of PNP

2.6 Fe2+濃度對PNP還原的影響

如圖2（f）所示,當(dāng)Fe2+濃度從6.25mmol/L增加到25mmol/L時,PNP還原率逐漸增加,這表明污染物的還原率主要與 Fe2+濃度有關(guān),即電子供體的可轉(zhuǎn)移電子量,但Fe2+濃度為25和75mmol/L的還原曲線幾乎重合,這是由于PNP還原受LQ的電子轉(zhuǎn)移能力限制.選用Fe2+濃度為25mmol/L進(jìn)行后續(xù)的實(shí)驗(yàn).

2.7 LQ介導(dǎo)Fe2+-STPP還原PNP機(jī)理研究

2.7.1 反應(yīng)過程中鐵離子濃度以及 ORP的變化圖 3（a）為用 1,10-菲咯啉水合物分光光度法測定的體系中溶解的 Fe2+、Fe3+、總鐵（TFe）的含量變化.在反應(yīng)前10min內(nèi),Fe2+含量迅速下降至0,Fe3+含量不斷升高,TFe含量幾乎無變化,10min后Fe2+、Fe3+、TFe含量不再變化.說明在前10min內(nèi)Fe2+向LQ傳遞電子,Fe2+失去電子變成Fe3+,使得Fe3+濃度不斷升高,因此PNP只有在前10min有還原效果,10min后體系中沒有Fe2+,PNP不再還原.如圖3（b）所示,ORP在 10min時迅速下降到最低值-129mV,且反應(yīng)過程中ORP始終處于負(fù)值,說明體系處于還原環(huán)境.

2.7.2 LQ的定性定量分析 LQ含量的變化如圖3（c）所示,LQ在前10min內(nèi)迅速減少,隨后LQ含量幾乎不再變化.Scott等[16]采用電子自旋共振（ESR）技術(shù)測定了腐殖質(zhì)中有機(jī)自由基的含量,ESR譜圖的結(jié)果表明,醌能參與可逆的電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)依賴于半醌自由基（圖 4）,半醌自由基含量與電子接受能力有直接關(guān)系,證明半醌自由基是醌類化合物作為電子穿梭體的關(guān)鍵因素.從熱力學(xué)的角度講,只有當(dāng)醌類化合物的氧化還原電位介于電子供體和電子受體之間時才能起到電子穿梭體的作用[23],這解釋了只有 Fe2+、STPP、LQ三者均在時才能還原PNP:在無配體存在時,E（Fe3+/Fe2+）=0.77V,E（LQ）=-0.137V,Fe3+/Fe2+的氧化還原電位遠(yuǎn)高于 LQ的氧化還原電位,所以單獨(dú)Fe2+不能將電子傳遞給 LQ生成半醌自由基.Zhang等[24]研究發(fā)現(xiàn)加入STPP后,E（Fe3+/Fe2+）降至-0.23V,Fe3+/Fe2+的氧化還原電位低于 LQ的氧化還原電位,Fe2+可以向 LQ 傳遞電子生成半醌自由基,進(jìn)而由半醌自由基還原PNP,LQ在Fe2+-STPP和PNP之間起到電子穿梭體的作用.GC-MS測定的LQ中間產(chǎn)物結(jié)果如表1所示,檢測結(jié)果顯示部分LQ生成了非醌類副產(chǎn)物.Uchimiya等[19]的研究表明,當(dāng)醌基團(tuán)接受電子發(fā)生副反應(yīng)時,生成物不是半醌自由基中間體,而是非醌類的副產(chǎn)物,生成副產(chǎn)物后醌基團(tuán)的電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)可能是不可逆的,無法起到強(qiáng)化電子轉(zhuǎn)移的作用.用紫外-可見分光光度計（UV-vis）對反應(yīng)前后的LQ進(jìn)行了全波長掃描,結(jié)果如圖5所示,可以看出,LQ特征吸收峰的波長向長波方向移動,且吸收強(qiáng)度增加,發(fā)生了紅移效應(yīng)和增色效應(yīng),這說明了LQ在反應(yīng)過程中引入了含有未共享電子對的基團(tuán),結(jié)合 GC-MS的檢測結(jié)果分析,LQ引入的基團(tuán)為羥基基團(tuán).反應(yīng)結(jié)束后,LQ的特征吸收峰并未回到初始波長,說明LQ在接受電子后一部分發(fā)生的反應(yīng)不可逆,這證明了LQ在充當(dāng)氧化還原介體時一部分被還原為非醌副產(chǎn)物.這解釋了 LQ濃度對 PNP還原的影響:一部分LQ 轉(zhuǎn)化為副產(chǎn)物,并未起到電子穿梭體的作用,因此隨著LQ濃度增加PNP的還原效果越好,當(dāng)LQ濃度達(dá)到飽和,過量的LQ并未溶解,未溶解的LQ不能介導(dǎo)Fe2+還原PNP,因此PNP的去除率不再提高.由LQ含量的測定可計算出,58.4%的LQ接受Fe2+傳遞的電子后轉(zhuǎn)換成非醌類化合物,此過程的電子轉(zhuǎn)移是不可逆的,LQ的含量逐漸減少;其余部分LQ接受電子變成半醌自由基中間體,再將電子傳遞給 PNP,因此Fe2+-STPP傳遞給LQ的電子利用率較低.

圖3 反應(yīng)過程中鐵離子濃度、ORP、LQ濃度的變化Fig.3 Changes of iron ion concentration,ORP,and LQ concentration during the reaction

圖4 LQ及LQ轉(zhuǎn)化的半醌自由基Fig.4 LQ and semiquinone radical converted from LQ

圖5 反應(yīng)過程中的UV-vis掃描圖譜Fig.5 UV-vis during the reaction

表1 中間產(chǎn)物測定結(jié)果Table 1 Intermediate product measurement result

2.7.3 體系中剩余 LQ 的作用 在反應(yīng)結(jié)束后,繼續(xù)向體系中投加一定量的FeSO4和STPP,檢測PNP的濃度變化.結(jié)果如圖 6所示,反應(yīng)結(jié)束后繼續(xù)投加FeSO4和STPP使體系對PNP有了進(jìn)一步的還原效果,這一結(jié)果有力地證明了剩余部分的LQ還能起到電子穿梭體的作用.

圖6 反應(yīng)240min時投加藥品對還原PNP的影響Fig.6 Effect of Adding Drugs on Reduction of PNP at 240min

2.7.4 PNP還原產(chǎn)物的測定 通過GC-MS對Fe2+/STPP/LQ體系中PNP的還原產(chǎn)物進(jìn)行測定,結(jié)果如圖7所示,可以明顯地看到LQ和非醌產(chǎn)物的色譜峰,但是未發(fā)現(xiàn)PNP及其產(chǎn)物的色譜峰,這是由于PNP及其產(chǎn)物的出峰時間與LQ及非醌產(chǎn)物的出峰時間相近,PNP及其產(chǎn)物的色譜峰被LQ及非醌產(chǎn)物的色譜峰覆蓋,因此無法使用GC-MS法對PNP及其還原產(chǎn)物進(jìn)行定性和定量分析.隨后通過 HPLC法對推測的 PNP產(chǎn)物（對氨基酚）進(jìn)行定量分析,同樣因?yàn)楸籐Q及非醌產(chǎn)物的色譜峰覆蓋而無法檢測.受現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)儀器限制,本文無法直接驗(yàn)證 PNP的還原產(chǎn)物.根據(jù)反應(yīng)過程中體系始終處于還原環(huán)境及Hakala等[22]使用Fe（II）和DOM將五氯硝基苯還原為五氯苯胺的研究成果,可推測 PNP的還原產(chǎn)物為對氨基酚.

圖7 GC-MS檢測結(jié)果Fig.7 GC-MS measurement result

3 結(jié)論

3.1 在厭氧條件下 LQ介導(dǎo) Fe2+-STPP還原PNP受初始 pH條件影響較小,pH=5時還原效果最佳;STPP濃度對還原PNP的影響不大,LQ和Fe2+濃度是影響PNP還原的主要因素.

3.2 在LQ介導(dǎo)Fe2+-STPP厭氧還原PNP過程中,前10min內(nèi)Fe2+迅速將電子轉(zhuǎn)移給LQ,Fe2+濃度降低,Fe3+濃度快速增加,10min后不同價態(tài)鐵離子濃度幾乎不再變化.

3.3 在LQ介導(dǎo)Fe2+-STPP厭氧還原PNP過程,LQ接受電子后主要生成非醌類副產(chǎn)物,形成副產(chǎn)物部分的電子反應(yīng)不可逆,只有少部分LQ接受電子后變成半醌自由基還原PNP,因此Fe2+-STPP傳遞給LQ的電子利用率較低.