水环境中腐殖酸类产生影响因素

2017-03-15 05:52:06 2

  1 引言

  溶解性有机质(DOM)含有发色基团,是重要的天然光敏剂,在紫外辐射或太阳光照射下,单线态(state DOM singlet,1DOM)分子吸收光能先转化为激发单线态(excited state DOM singlet,1DOM*),进而转化为激发三线态(excited state DOM triplets,3DOM*),进一步与溶解氧分子发生一系列反应,产生活性氧物质(reactive oxygen species,ROS),如羟基自由基(hydroxyl radical,· OH)、单线态氧(singlet oxygen,1O2)、超氧化物(superoxide,O2-)等(见反应式(1)、(2.这些活性氧物质可以诱导有机污染物光降解,同时,DOM也会与目标化合物竞争光吸收,或猝灭目标化合物的激发态,DOM对有机污染物的光解具有光敏化和光屏蔽双重作用(Chen et al., 2009;,这与DOM的来源、组成、化学结构等特点密切相关.因此,溶解性有机质在水生生态系统光化学中扮演重要角色,可以影响有机污染物的环境行为和生态风险.

 

  为了更好地探究DOM对有机污染物光降解的影响,研究人员对DOM光化学反应特征,如机理、定量关系等开展了大量研究通过对自然水体进行研究,率先建立了DOM与单线态氧之间的定量关系.此后针对DOM产生ROS的反应,用从自然水体、土壤等不同来源介质中提取的腐殖酸、富里酸等不同组分,在太阳光及模拟日光等不同光照条件下,进行了有机质光化学行为等研究此外,溶解性有机质光谱特征与1O2产量之间的关系的研究也有一定的深入报道.小分子量的DOM光敏效率较大分子量的高;DOM的光谱特征(如E2:E3(254 nm与365 nm处吸光度的比值)、a300、S300~600(300~600 nm段吸光光谱斜率)等)与单线态氧产量及量子产率存在一定的相关性,一定程度上还可运用这些关系对1O2量子产率进行预测;Coelho et al.(2011)认为单线态氧平衡浓度与DOM的长波段荧光强度有很强的相关性,荧光类有机质在产生单线态氧反应中有一定作用.目前,国外对光诱导有机质产生单线态氧的机制研究较多,而针对该反应影响因素方面的研究较少且缺乏系统性和全面性,国内相关研究则更多关注于有机质对有机污染物光降解的影响.本文将从水环境和光照条件两方面,探讨pH、温度、光照强度、以及腐植酸含量等因素对光诱导有机质产生单线态氧反应的影响.

  腐殖酸(humic acid,HA)作为DOM的重要组成部分,广泛存在于天然水体、土壤、沉积物等介质中.本研究利用我们课题组发明的用于有机质产生单线态氧研究的实验装置(何伟等,2015),选用典型溶解性有机质——腐殖酸,在氙灯模拟日光照射下,选取HA浓度、pH、温度和光照强度等因素,对腐殖酸产生单线态氧反应的影响进行探究,选取E2:E3分析腐殖酸光谱特征与1O2量子产率间的关系,以期明晰溶液环境、光照条件对腐殖酸光敏化产生1O2反应的影响,为天然有机质的光化学行为及其影响因素研究和水体自净能力评估提供理论依据.

  2 材料与方法

  2.1 腐殖酸溶液制备

  将固体腐殖酸(化学纯,国药集团化学试剂有限公司)置于水中,用0.1 mol · L-1氢氧化钠调节pH,搅拌、溶解、离心、过0.45 μm微孔滤膜,得到pH分别为4、5、6、7、8、10、12的HA溶液,储存于棕色玻璃瓶中,4 ℃下保存备用.采用有机碳分析仪(TOC-V WP,日本岛津公司)测得各pH下提取HA溶液的DOC含量.光照实验HA工作液用储备液按DOC设定浓度成一定比例稀释所得,稀释选用相应pH的5 mmol · L-1磷酸盐缓冲溶液.

  2.2 单线态氧捕获剂及敏化剂

  糠醇(Furfuryl alcohol,FFA,98%,阿法埃莎(天津)化学有限公司)作为一种经典单线态氧捕获剂广泛用于腐殖酸光化学研究(Peterson et al., 2012; Mostafa et al., 2013).光照实验中FFA浓度为10 μmol · L-1.萘嵌苯酮(Perinaphthenone,PN,97%,美国西格玛奥德里奇公司)是一种重要的单线态氧敏化剂,实验中PN的浓度为100 μmol · L-1.

  2.3 高效液相色谱测定

  FFA测定采用高效液相色谱分析仪,色谱柱为RP-Amide C16,流动相为醋酸缓冲溶液(5 mmol · L-1,pH=4.56)/乙腈=9/1,V/V,流速为1.0 mL · min-1,紫外检测器波长为219 nm.标准曲线浓度梯度选择2、5、10、25、50、100 μmol · L-1.液相色谱分析中,FFA出峰时间为6.2~6.8 min.

  2.4 实验装置及条件控制

  本课题组设计的单线态氧捕获装置如图 1所示(何伟等,2015).该装置由4个部分构成,从左到右依次为光反应装置(Solar-500,北京纽比特科技有限公司,中国)、四通道全自动蠕动泵采样装置(BT100-1F,河北保定兰格恒流泵有限公司,中国)、四通道部分收集器(EBS-20,上海沪西分析仪器厂有限公司,中国)和低温恒温循环水装置(ILB-008-4,施都凯仪器设备(上海)有限公司,中国).该装置可以调节改变光强,控制反应温度.光源采用500 W球形氙灯,部分接收装置外部用黑纸进行了包裹以免收集到的样品受到外界光的影响而发生降解.

 

  图1 单线态氧捕获装置示意图(1.光源,2.光强调节器,3.单色仪,4.暗室,5.多通量反应杯,6.冷阱,7.恒流泵,8.部分收集器,9.恒温循环水,10.遮光罩,11.采样管路,12冷凝水管路)

  光化学反应影响因素选择HA浓度、pH、温度和光照强度.在腐殖酸溶液中加10 μmol · L-1 FFA,同时设置FFA空白组和PN校正组,氙灯下垂直照射3 h,采样间隔时间为30 min,连续采7次,每次取样0.5 mL,过0.22 μm尼龙微孔滤膜后封装于棕色样品瓶中待测.

  2.5 单线态氧平衡浓度及量子产率计算

  一般采用单线态氧平衡浓度(singlet oxygen steady-state concentrations,[1O2]ss)对腐殖酸产生1O2的产量进行表征.FFA作为对1O2的捕获剂,其降解的快慢可以反映产生1O2的速率.[1O2]ss可由FFA降解速率常数kobs,DOM和FFA自身光降解速率常数kobs,dir经公式(3)计算得到.

 

  式中,kobs,DOM和kobs,dir可由准一级反应动力学方程ln(C0-C)=-kt计算得到,单位为s-1,FFA和1O2双分子反应速率常数krxn,FFA取值为8.3×107 mol · L-1 · s-1.

  单线态氧的量子产率ФΔ,是指吸收1 mol光子产生1O2的摩尔数,一般通过与一种已知其Ф值的1O2敏化剂比较得出,本研究中选用的单线态氧敏化剂萘嵌苯酮(PN)的ФPN为98%.则ФΔ计算公式如下:

 

  式中,Iλ表示光源在每个波长下的光照强度(W · m-2);aλ,DOM和aλ,PN分别表示腐殖酸和光敏剂在每个波长处的纳氏吸收系数(m-1),可由公式(5)计算得到;Sλ是屏蔽因子,无量纲,可由公式(6)计算得到.

 

  式中,Abs表示在每个波长下的吸光度值,L和d均表示辐射光源的路径长度,取值均为0.01 m.

  3 结果与讨论

  3.1 腐殖酸浓度(DOC)与pH对1O2的平衡浓度的影响

  溶解性有机质浓度(DOC)是溶解性有机质产生1O2的重要影响因素,研究结果表明,[1O2]ss与DOC显著线性相关(R2=0.95).由图 2可知,本研究中同pH值下,DOC值高的腐殖酸溶液产生的1O2 均高于低DOC的溶液,但因未设置多个DOC浓度梯度实验,本研究不能得到[1O2]ss与DOC的关系曲线.

  pH作为水环境中重要的理化性质指标,对水中DOM的水化学、光化学等行为的解释和预测具有重要作用(Frimmel et al., 1987; Dalrymple et al., 2010).图 2为不同pH条件下,腐殖酸光敏化产生1O2的平衡浓度. [1O2]ss 值在pH=7的溶液中最高,其中DOC值为18 mg · L-1和30 mg · L-1的腐殖酸溶液产生的[1O2]ss分别为596.9 fmol · L-1和677.3 fmol · L-1.随着酸碱性增强,[1O2]ss值逐渐减小,但弱酸环境中的[1O2]ss值较弱碱环境中的高.

 

  图2 不同pH及DOC浓度的HA溶液中[1O2]ss值

  不同pH值条件下,腐殖酸产生的1O2的平衡浓度不同,且呈倒“U”形分布,可能因为腐殖酸作为一种带负电荷的高分子聚合物,其所含有的羧基、羟基以及醌基等官能团会随着pH值的不同而改变其存在状态.Sharpless et al.(2014)研究发现,酚基和醌基是腐殖质光化学反应中重要的发色基团.本研究中对不同pH值下提取的腐殖酸进行了红外光谱(FT-IR)扫描(图 3).1137~1280 cm-1间的信号峰表明酯和酚的C—O伸缩振动的存在,1580~1800 cm-1间的信号峰表明C C及酮、醌中的C O伸缩振动的存在.由图 3 可知,pH >7时,腐殖酸在1137~1280 cm-1间信号峰缺失以及1580~1800 cm-1间的信号峰也低于酸性条件下的(pH=4组除外),表明腐殖酸在碱性环境中酚基和醌基显著减少,致使光敏化产生的1O2减少,且比酸性环境中的小.对于pH<7时,[1O2]ss的降低可能是因为HA分子发生团聚(李文慧等,2009),接触光面积减少,发色基团吸收光能效率下降,使得3DOM*通过能量转移产生1O2的反应减弱.

  

  图3 不同pH下溶液中提取的腐殖酸红外光谱图

  3.2 温度对1O2的平衡浓度的影响

  为模拟实际水环境,本研究所选温度段为1.5、5、10、15和25 ℃,[1O2]ss与T(T为绝对温度)的关系如图 4所示.实验温度范围内,[1O2]ss值为400~506 fmol · L-1,随T增大呈增长趋势.分析推测温度升高,溶液中分子活跃度增强,使得HA吸收光子能量发生能级跃迁生成三线激发态(3HA*)的速率增大,使得更多的氧分子获得3HA*转移的能量形成1O2.

 

  图4 不同温度下的[1O2]ss值

  本研究表明,在一定范围内,温度升高对腐殖酸产生1O2的反应有促进作用.温度低于这一范围时,如在0 ℃以下,处于冰晶中的DOM中的光化学反应组分会浓缩在更小的空间内,使得其间接光降解雪中艾氏剂的速率高于液态水环境中的,且降解速率随温度降低而增大(Grannas et al., 2014);温度超过本文的温度范围时,分子结构、发色团及1O2稳定性等性质都可能发生变化,[1O2]ss在这一温度范围内的变化规律还需通过进一步的实验获得.

  3.3 光强对1O2的平衡浓度的影响

  自然界直射的光照强度范围为3.2×104到10×104 lux,本研究在此基础上尽量模拟不同强度的太阳光,同时设置了光源光照强度最大值,评估光源的最大潜力.图 5 为不同光照强度(0.8、2.3、4、7.5、10、15.5 ×104 lux)下,腐殖酸产生的[1O2]ss值.光强为15.5×104 lux时,[1O2]ss值达到666.1 fmol · L-1,随着光强减弱,1O2产生速率降低,在0.8×104 lux光照下,单线态氧产生速率k与最大光强时相比低1个数量级,[1O2]ss值仅为37.3 fmol · L-1.DOM产生1O2是一个能量转移的过程,且更依赖于365 nm左右处的紫外光子能量(Vinoe et al., 2010; Dalrymple et al., 2010).本研究中采用氙灯模拟300~800 nm波段日光辐射,365 nm处能量本身较弱,光照强度降低,使得供腐殖酸吸收的光子减少,减弱了光敏化反应.

 

  图5 不同光照强度下[1O2]ss值

  3.4 腐殖酸光谱特征与1O2量子产率的关系

  尽管腐殖酸结构、性质的复杂性对其分子规模下光化学模型的建立造成了很大阻碍,但众多研究表明了用光谱数据对腐殖酸光化学反应速率进行预测的可能性.例如,一些研究结果表明:荧光特性指标与DOM的平均分子量负相关(Coelho et al., 2011),小分子量的HA光敏化降解2,4,6-三甲基苯酚的效率比大分子量的高(Halladja et al., 2007).Dalrymple et al., 2010)用测定得到的ФΔ与E2:E3的关系式对ФΔ进行预测计算,结果与实际值的误差为-3%~60%.

  本研究选光谱特征值E2:E3与ФΔ值进行相关分析,所得关系图见图 6.量子产率ФΔ与E2:E3显著正相关(p<0.01),线性拟合所得方程为y=1.09x-1.90,R2=0.44.Petersone et al.(2012)针对水体DOM的研究结果显示,ФΔ与E2:E3之间成正相关(y=0.196 x+0.605,R2=0.592).本研究中ФΔ与E2:E3的线性相关拟合斜率(1.09)显著大于Petersone et al.(2012)研究结果(0.196),可能因本研究腐殖酸与他人研究样品相比有机质类型不同且较为单一所致.E2:E3作为表征DOM的芳香性和分子量的特征值(Peuravuori and Pihlaja, 1997;Dalzell et al., 2009),其差异可以反映有机质类型的不同.Petersone et al.(2012)的研究中5﹤E2:E3﹤25,有机质类型多样,以小分子量的DOM为主;而本研究中E2:E3值较小且范围窄(2.32~2.61),有机质类型单一,腐殖酸分子量大,芳构化程度高.这表明,存在单线态氧量子产率随有机质分子量减小及芳香性减弱而增大的趋势,且对于高分子量的DOM,该趋势更为显著.

 

  图6 1O2量子产率与E2:E3关系

  3.5 实际环境条件下影响单线态氧产生的主要因素

  在实际环境条件下,影响单线态氧产生的因素很多,如DOM含量与组成、光照与气温、以及水体pH值与离子含量等水环境特征.不同水体(如湖泊、河流和海洋等)中DOM含量与组成、以及水环境条件可能差异较大,这会造成其1O2产生潜力会有较大变化.由于气温与光照的不同,季节变化会导致光诱导DOM(如腐殖酸)产生1O2潜力的变化;冬季温度和光强均较低,1O2产生潜力则较低,而夏季温度高和光强大,利于1O2的产生,冬季与夏季的温度与光强相差也大,相应产生的1O2产生的潜力差别也越大,如在本文氙灯模拟日光照射实验中,最小光强(0.8×104 lux)和最大光强(15.5×104 lux)情况下,[1O2]ss值相差约一个数量级;此外,季节更替也会影响到水环境中DOM含量与组成、以及其他离子(如NO3-、Fe离子等)浓度等因素的变化,进而对1O2的生成产生影响(De Laurentiis et al., 2014).一些受到污染的水体具有过高的碱性或酸性,均会减弱1O2的产生潜力,而正常水体pH为6~9,利于1O2的产生.实际水环境中众多重金属离子,可与腐殖酸形成螯合物,影响1O2的产生潜力(Gao and Zepp, 1998).此外,针对同一水环境,一天中不同时段及不同深度下,因温度、光照强度、DOM浓度等因素的差异,光诱导DOM产生1O2的潜力也存在差别.具体参见 污水处理技术资料或污水技术资料更多相关技术文档。

  4 结论

  溶液环境和光照条件对腐殖酸光化学反应有一定影响,中性以及弱酸性环境中产生的单线态氧速率较高,所以维持水体环境pH值接近于中性,有利于水中溶解性有机质对有机污染物的光降解.一定范围内,温度和光强的增大对腐殖酸光化敏化产生单线态氧反应均有促进作用,据此推测夏季(温度高和光照强度大)更有利于水环境中腐殖酸类溶解性有机质产生活性氧物质,促进对有机污染物的光降解作用.腐殖酸的来源、性质等差异对光化学反应的影响也需考虑,分子量小、芳构化程度高、含氧共轭体系发色基团多的腐殖酸(较高E2:E3值),使得光子能量转化效率高,单线态氧量子产率大.

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