一种同步高效降解BPA和ATE的光还原装置

本实用新型提供一种同步去除污水中两种典型药品及个人护理品(ppcps)的装置，具体涉及一种在厌氧条件下，利用高压汞灯作为反应光源，以双酚a(bpa)作为水合电子引发剂，大量产生水合电子并用于阿替诺尔(ate)的降解，最终实现bpa和ate同步高效降解的装置，属于水处理技术领域。

背景技术：

ppcps是一类与人们生活及生产密切相关的新兴污染物，其中bpa和ate是两种使用量大且在污水中出现频率较高的ppcps。bpa广泛应用于化工生产活动中，如作为环氧树脂、聚碳酸酯的中间体和生产原料；而atl是典型的非抗生素类ppcps，常被用于治疗心血管疾病。ppcps的大量使用不可避免导致其存在于各类环境介质(特别是水环境)中。毒理学研究证实了ppcps具有生物累积性、生物毒性及持久性，因此，迫切需要可有效控制水中ppcps的降解技术。

基于紫外光的ppcps降解技术已有报导，但此类报导一方面只研究了单一种类ppcps的降解，另一方面需要向体系中添加光催化剂，带来了二次污染的风险。本申请探索出一种可同步降解bpa和atl的光还原方法，且无需向体系中加入光催化剂，对设备无特殊要求、工艺简单、环境友好。

水合电子(eaq^-)标准还原电势为-2.9v，是目前已知还原性最强的活性物种之一，水合电子可通过紫外光解部分离子(fe²⁺、i^-、so3^2-)，也可通过光解有色可溶性有机物(cdom)产生。cdom包含的化合物种类较多，如羧酸、酚、酮、醛、醌等。本研究利用酚类物质bpa作为cdom，以高压汞灯作为反应光源，通过光解cdom产生水合电子，并利用产生的水合电子降解atl。在光反应中，光强是影响水合电子产量的重要因素之一，选用高压汞灯作为光源可以提供更高的光强，进而提高水合电子产量，最终实现两种ppcps的高效降解。

技术实现要素：

鉴于传统基于水合电子降解污染物的方法都存在一些弊端，如需向体系额外添加试剂、对设备有专门要求等，本实用新型旨在提供一种新型的水合电子产生装置，即利用典型ppcps之一的bpa作为水合电子引发剂，通过与可提供高光强的光源——高压汞灯组合，使得光化学体系大量产生水合电子，并用于降解另一典型ppcps——atl，进而实现两种ppcps同步高效降解。

本实用新型提供一种同步高效降解bpa和ate的光还原装置，所述装置包括：高压汞灯，所述高压汞灯下方设有用于盛放含bpa和ate的水溶液的密闭的石英反应器，所述石英反应器内部设有转子，外围设有冷却套管，冷却套管与恒温冷却槽相连接，所述冷却套管下方设有磁力搅拌器，在反应过程中将其打开，配合石英反应器内的转子，使得反应中溶液一直处于搅拌状态，确保各组分混合均匀，所述石英反应器上设置有进气口和出气口，进气口与氮气瓶相通，反应中为避免氧气的影响，向反应器中持续通入氮气。

进一步的，所述高压汞灯内部设有直径为1-2cm的点光源以及石英反射罩，反射罩可将发光汇聚到一点，从而达到很高的光强。

进一步的，所述高压汞灯内部包括滤光片，大于425nm的光均被滤掉。

进一步的，所述高压汞灯底部设有滑动挡板以及与之相连的计时器，可精确控制紫外光照时间。

进一步的，所述高压汞灯内置不同孔径密度的光栅，可用于控制光强，通过面板即可调节。

进一步的，所述石英反应器为密闭圆柱形容器，其直径为52mm，高度为45mm，点光源位于该反应器圆心所在的轴线上，距离反应器内液面50-60mm。

所述高压汞灯在提供高光强的同时，也会引起反应溶液温度上升，为避免温度对两种ppcps降解的影响，在石英反应器外围设有冷却套管，其与恒温冷却槽相连，通过冷却槽面板设置套管内水温稳定在室温(即25℃左右)。

利用本实用新型所述的同步高效降解bpa和ate的光还原装置同步降解bpa和atl的方法，包括如下步骤：

(1)打开高压汞灯，预热20-30min左右，以达到稳定光强的目的；

(2)配置反应溶液并转移至反应器内，溶液中bpa和atl的摩尔比5-20:1，调节反应初始ph至9.5-10.0之间；

(3)打开滑动挡板，高压汞灯光照开始并计时，到选定的时间节点(0、1、2、4、8、10、15、20、30、40min)取样；

(4)使用超高效液相色谱(uplc，watersh-class)检测bpa和atl浓度。

进一步的，所述使用超高效液相色谱的检测条件如下：bpa检测时采用behc18(1.7×100mm)色谱柱，柱温35℃，流动相为甲醇/水(v/v)70/30，采用等度洗脱，流速为0.2ml/min，进样体积为5μl，检测器采用acquityuplctuv检测器，检测波长为280nm；atl检测采用sb-c18(4.6×250mm)色谱柱，柱温为30℃，流动相为磷酸盐缓冲液/甲醇(v/v)85/15，采用等度洗脱，流速为0.5ml/min，进样体积为10μl，检测器为tuv检测器，检测波长为260nm。

本实用新型所述装置的主要化学反应原理：酚类物质bpa作为有色可溶性有机物(cdom)，可在紫外光照射下产生水合电子(反应式1)。光强是影响光反应中水合电子产量的关键因素，利用高压汞灯作为反应光源，bpa作为水合电子引发剂，大量产生水合电子。产生的水合电子用于atl降解(反应式2)，最终实现atl和bpa同步高效降解。

反应式1：

反应式2：

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点：

(1)反应中无需添加光催化剂或水合电子引发剂，既节省了成本，又避免了二次污染的风险，而常规的光化学降解ppcps的案例中，都需要添加诸如ki、na2so3或tio2等各种化学试剂。

(2)反应速率较快，在40min内，两种典型ppcps的降解率均可达到100％。

附图说明

图1为本实用新型所述同步高效降解bpa和ate的光还原装置的结构示意图；其中，1.高压汞灯；2.石英反应器；20.转子；3、恒温冷却槽；4.磁力搅拌器；5.氮气瓶；6.冷却套管

图2为本实用新型所述同步高效降解bpa和ate的光还原装置的高压汞灯的结构示意图；

其中，11.点光源；12.石英反射罩；13.滤光片；14.光栅；15.滑动挡板；

图3为本实用新型所述装置中高压汞灯的发光光谱图；

图4为本实用新型所述装置bpa降解过程中一氯乙酸(mcaa)浓度变化情况；

图5为本实用新型所述装置atl在不同体系中的降解曲线；

图6为本实用新型所述装置bpa和atl的同步降解图。

具体实施方式

以下结合附图，对本实用新型所述的同步高效降解bpa和ate的光还原装置，进行非限制性的说明。

如图1所示，本实用新型所述的同步高效降解bpa和ate的光还原装置包括：高压汞灯1，所述高压汞灯1下方设有用于盛放含bpa和ate的水溶液的密闭的石英反应器2，所述石英反应器2内部设有转子20，外围设有冷却套管6，冷却套管6与恒温冷却槽3相连接，所述冷却套管下方设有磁力搅拌器4，在反应过程中将其打开，配合石英反应器内的转子，使得反应中溶液一直处于搅拌状态，确保各组分混合均匀，所述石英反应器上设置有进气口和出气口，进气口与氮气瓶5相通，反应中为避免氧气的影响，向反应器中持续通入氮气。如图2所示，所述高压汞灯内部设有直径为1-2cm的点光源11以及石英反射罩12，反射罩12可将发光汇聚到一点，从而达到很高的光强。所述高压汞灯内部包括滤光片13，大于425nm的光均被滤掉，所述高压汞灯底部设有滑动挡板15以及与之相连的计时器，可精确控制紫外光照时间，所述高压汞灯内置不同孔径密度的光栅14，可用于控制光强，通过面板即可调节。

本实用新型所述的利用上述同步高效降解bpa和ate的光还原装置同步降解bpa和atl的方法，步骤如下：(1)打开高压汞灯，预热25min，以达到稳定光强的目的；(2)配置反应溶液并转移至反应器内，溶液中bpa和atl的摩尔比9.8:1，调节反应初始ph至10.0；(3)打开滑动挡板，高压汞灯光照开始并计时，到选定的时间节点(0、1、2、4、8、10、15、20、30、40min)取样；(4)使用超高效液相色谱(uplc，watersh-class)检测bpa和atl浓度，所述使用超高效液相色谱的检测条件如下：bpa检测时采用behc18(1.7×100mm)色谱柱，柱温35℃，流动相为甲醇/水(v/v)70/30，采用等度洗脱，流速为0.2ml/min，进样体积为5μl，检测器采用acquityuplctuv检测器，检测波长为280nm；atl检测采用sb-c18(4.6×250mm)色谱柱，柱温为30℃，流动相为磷酸盐缓冲液/甲醇(v/v)85/15，采用等度洗脱，流速为0.5ml/min，进样体积为10μl，检测器为tuv检测器，检测波长为260nm。

由图4所示，mcaa可迅速捕获水合电子(k＝1.0×10⁹m^-1s^-1)。随着bpa溶液接受紫外光照时间的延长，mcaa含量逐渐减少；而溶液中仅有bpa不接受紫外光照，或者溶液不含bpa直接紫外光照，随着反应时间的延长，mcaa含量基本保持不变。该结果证实bpa溶液经紫外光解过程中产生了水合电子，水合电子被mcaa捕获进而引起mcaa含量的减少。

如图5所示，atl溶液直接紫外光照或者溶液中同时含atl和bpa但不接受紫外光照，这两种情况均不能引起atl降解；而当同时含atl和bpa的溶液接受紫外光照后，atl迅速降解(图5)。由图4的研究可知bpa光照过程中产生了水合电子，图5结果证实了atl的降解是由水合电子引起。

打开高压汞灯，预热25min。向石英反应器中倒入配置好的反应溶液，其中，bpa和atl的浓度分别49μm和5μm，反应ph为10.0，调节恒温冷却槽，使得冷却套管内水温维持在25℃左右。打开磁力搅拌器，使溶液混合均匀。待高压汞灯发光稳定后，打开滑板，紫外光照反应开始，并计时，在对应时间点取样检测，bpa和atl的同步降解图如图6所示。

由图可知，bpa和atl在40min内均完全降解，反应迅速。由图4和图5的实验数据可知，bpa接受紫外光照过程中可产生水合电子，且atl的降解仅能由水合电子引起，因此，两种物质在体系中的降解过程如下：bpa首先接受紫外光照产生水合电子，随后水合电子还原降解atl。

应该理解的是，上述内容包括附图不是对所述技术方案的限制，事实上，在相同或近似的原理下，对所述技术方案进行的改进，包括系统中各部分装置的形状、尺寸、所用材质，相同或近似功能元件的等同替换，由此得到的技术方案都在本实用新型所要求的技术方案之内。