磁性Pr6O11催化臭氧降解乙草胺及其水生毒性的研究

非均相催化臭氧氧化技术是一种新型的高级氧化技术,其中的磁性纳米催化剂,具有易于回收、高稳定性和高活性的特点,引起了国内外学者的广泛关注。乙草胺是一种广泛应用的芽前除草剂,具有环境持久性,致癌性和内分泌干扰效应。本实验通过合成以Fe3O4为核磁的稀土Pr6O11/SiO2@Fe3O4催化剂,来催化臭氧降解乙草胺,探讨催化剂对乙草胺臭氧降解的催化效果,及降解过程中反应液的水生毒性情况。本实验通过化学共沉淀法,制备得到了磁性纳米催化剂Pr6O11/SiO2@Fe3O4,根据XRD、XPS、TEM等表征结果可知,催化剂为核壳结构,有一定的磁性,分散性较好,颗粒较为均匀,为立方晶格结构,从内到外由三层结构组成,内部为Fe3O4,中间层为SiO2,外部为Pr6O11。以Pr6O11/SiO2@Fe3O4为催化剂,在O3/O2流量为60mL/min,反应温度30℃条件下,催化臭氧化初始浓度为20 mg/L的乙草胺水溶液。发现其最优催化降解条件为乙草胺初始浓度20 mg/L,催化剂(600℃煅烧)投加量0.5g/L。在该条件下,与单独O3降解比较,经20 min反应后,发现加入催化剂后乙草胺的去除率提高了18.9%,经120 min反应后,乙草胺矿化率提高了23.3%。催化剂加入的主要作用是催化剂表面的羟基基团与臭氧接触后引发羟基自由基,以此提高乙草胺的去除率和矿化率。研究还发现,磁性纳米Pr6O11/SiO2@Fe3O4催化剂具有良好的稳定性和可回收利用性。动力学拟合表明其能较好地符合拟一级动力学方程。反应速率常数k从单纯臭氧的1.19×10-3min-1到磁性Pr6O11/SiO2@Fe3O4催化条件下的3.92×10-3min-1。以小球藻为模式生物,通过降解后水溶液的水生毒性测定,发现乙草胺降解水溶液对小球藻均具有一定的刺激促进作用,且促进作用随着反应时间的增加而增加。进一步对游离镨离子的富集研究表明,溶解在降解水溶液中的镨离子,大部分被藻细胞所摄取,小球藻对水中的稀土元素,具有较强的富集作用。利用斑马鱼胚胎模型研究乙草胺降解水溶液的发育毒性,发现随着反应时间的增加,斑马鱼胚胎的死亡率、畸形率逐渐降低,孵化率逐渐升高。上述研究揭示了磁性纳米Pr6O11/SiO2@Fe3O4催化剂在催化臭氧降解乙草胺水溶液过程中的高效性,高稳定性,可回收利用性,并能显著降低其水生毒性。本研究为稀土元素在催化氧化污染物中的应用,及其后续的生态安全评价提供了探索和参考。