2-羥基-1,4-萘醌介導Fe2+-STPP厭氧還原對硝基酚

宣麗爽,秦傳玉,張成武,張婧懿,袁 芳（吉林大學新能源與環境學院,吉林 長春 130021）

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

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].研究發現,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合物也能防止生成沉淀,提高 Fe2+的利用率.Buerge等[11]研究發現有機配體（檸檬酸鹽、草酸鹽、水楊酸鹽、酒石酸鹽、次氮基三乙酸鹽）與 Fe2+絡合后能促進 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+和配體絡合后也難以將其還原.近年來,人們發現天然水體環境中存在的溶解性有機質（DOM）可以作為電子穿梭體加快電子向還原性物質的轉移,常用于還原硝基芳香化合物[12-14].Hofstetter等[15]發現 DOM 介導針鐵礦懸浮液中表面結合的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果證明了腐殖質中的醌基團是介導硝基芳香化合物還原的重要官能團,醌基團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+還原轉化污染物的作用規律目前尚不明確.三聚磷酸鈉（STPP）作為一種代表性配體,在工業生產中作為食品添加劑被廣泛使用[17],在水體環境中也檢測到其存在,并且其對于 Fe2+還原促進效果明顯優于其他配體.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構的溶解性有機質,廣泛存在于自然界中[18].LQ被還原得到中間體半醌自由基,中間體可進一步還原其他氧化態化合物[19].本文模擬厭氧水體環境,考察Fe2+、配體、DOM三者存在的情況下對污染物還原轉化的影響.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還原轉化效果及規律,確定實驗體系的最佳反應條件,并研究了不同組分對電子傳遞機制的影響,為理解天然的厭氧水體環境中DOM強化電子傳遞還原轉化污染物提供一定的理論依據.

1 材料與方法

1.1 實驗試劑

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,天津光復精細化工研究所）;三聚磷酸鈉（分析純,天津光復精細化工研究所）;七水合硫酸亞鐵（分析純,天津光復精細化工研究所）;乙二胺四乙酸二鈉（分析純,天津光復精細化工研究所）;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,國藥集團化學試劑有限公司）;乙酸（分析純,天津光復精細化工研究所）,乙酸銨（分析純,天津光復精細化工研究所）;1,10-菲咯啉（分析純,天津光復精細化工研究所）;氮氣（長春巨洋氣體有限責任公司）

1.2 實驗儀器

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-質譜聯用儀（Agilent 6890/5973,美國Agilent）

1.3 實驗方法

實驗在250mL密封瓶中進行,取200mL濃度為10mg/L的PNP溶液,持續通入30min以上的氮氣用于驅替溶液的溶解氧.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值調到 5.0,最后向其中加入一定量的FeSO4,實驗計時開始.反應過程中,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.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3個平行樣取平均值,實驗數據的標準誤差不超過5%.

1.4 測試方法

1.4.1 高效液相色譜法 運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-質譜（GC-MS）聯用法 GC-MS樣品前處理過程如下:在不同的反應時間（0,10,45,120,240min）收集200mL樣品,加入乙酸乙酯進行萃取,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℃的旋轉蒸發儀中,蒸發濃縮后用 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模式下獲得質譜,電子能量為70eV.

1.4.3 不同價態鐵離子的測試方法 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-菲咯啉反應生成穩定的橙紅色絡合物,橙紅色絡合物的吸光度與濃度的關系符合朗伯-比爾定律,可通過測定橙紅色絡合物在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.應用Excel2010、OriginPro8.5進行數據分析處理與作圖.

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 Fe2+、單獨 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PNP迅速還原,之后幾乎不再變化,在240min時PNP的還原率達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240min內,初始pH值為3,5,7,9時體系對PNP均有一定的還原效果.體系最佳反應在pH=5.在pH=3條件下PNP還原效果略有下降,這是因為水中過多的 H+會使 STPP發生質子化,喪失 STPP的配位絡合作用.pH=9時,鐵離子與OH-易形成沉淀抑制Fe2+提供電子的能力.因此實驗選取pH=5進行后續的研究.

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,這是因為腐殖酸和黃腐酸等腐殖質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作為代表性有機質.

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 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 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,在實驗范圍內,隨著LQ濃度的增加,PNP的去除率逐漸提高,但 LQ濃度達到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果表明,體系的反應性不受DOM 的濃度和種類的顯著影響,這是因為電子穿梭體介導的還原反應的動力學主要受熱力學參數的控制,即電子穿梭體的氧化還原電位,因此STPP對于 LQ介導 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進行后續的實驗.

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,即電子供體的可轉移電子量,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的電子轉移能力限制.選用Fe2+濃度為25mmol/L進行后續的實驗.

2.7 LQ介導Fe2+-STPP還原PNP機理研究

2.7.1 反應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.在反應前10min內,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,且反應過程中ORP始終處于負值,說明體系處于還原環境.

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）技術測定了腐殖質中有機自由基的含量,ESR譜圖的結果表明,醌能參與可逆的電子轉移反應依賴于半醌自由基（圖 4）,半醌自由基含量與電子接受能力有直接關系,證明半醌自由基是醌類化合物作為電子穿梭體的關鍵因素.從熱力學的角度講,只有當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+的氧化還原電位遠高于 LQ的氧化還原電位,所以單獨Fe2+不能將電子傳遞給 LQ生成半醌自由基.Zhang等[24]研究發現加入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中間產物結果如表1所示,檢測結果顯示部分LQ生成了非醌類副產物.Uchimiya等[19]的研究表明,當醌基團接受電子發生副反應時,生成物不是半醌自由基中間體,而是非醌類的副產物,生成副產物后醌基團的電子轉移反應可能是不可逆的,無法起到強化電子轉移的作用.用紫外-可見分光光度計（UV-vis）對反應前后的LQ進行了全波長掃描,結果如圖5所示,可以看出,LQ特征吸收峰的波長向長波方向移動,且吸收強度增加,發生了紅移效應和增色效應,這說明了LQ在反應過程中引入了含有未共享電子對的基團,結合 GC-MS的檢測結果分析,LQ引入的基團為羥基基團.反應結束后,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生的反應不可逆,這證明了LQ在充當氧化還原介體時一部分被還原為非醌副產物.這解釋了 LQ濃度對 PNP還原的影響:一部分LQ 轉化為副產物,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LQ濃度達到飽和,過量的LQ并未溶解,未溶解的LQ不能介導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+傳遞的電子后轉換成非醌類化合物,此過程的電子轉移是不可逆的,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轉化的半醌自由基Fig.4 LQ and semiquinone radical converted from LQ

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

表1 中間產物測定結果Table 1 Intermediate product measurement result

2.7.3 體系中剩余 LQ 的作用 在反應結束后,繼續向體系中投加一定量的FeSO4和STPP,檢測PNP的濃度變化.結果如圖 6所示,反應結束后繼續投加FeSO4和STPP使體系對PNP有了進一步的還原效果,這一結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還原產物的測定 通過GC-MS對Fe2+/STPP/LQ體系中PNP的還原產物進行測定,結果如圖7所示,可以明顯地看到LQ和非醌產物的色譜峰,但是未發現PNP及其產物的色譜峰,這是由于PNP及其產物的出峰時間與LQ及非醌產物的出峰時間相近,PNP及其產物的色譜峰被LQ及非醌產物的色譜峰覆蓋,因此無法使用GC-MS法對PNP及其還原產物進行定性和定量分析.隨后通過 HPLC法對推測的 PNP產物（對氨基酚）進行定量分析,同樣因為被LQ及非醌產物的色譜峰覆蓋而無法檢測.受現有的實驗儀器限制,本文無法直接驗證 PNP的還原產物.根據反應過程中體系始終處于還原環境及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的還原產物為對氨基酚.

圖7 GC-MS檢測結果Fig.7 GC-MS measurement result

3 結論

3.1 在厭氧條件下 LQ介導 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Fe2+-STPP厭氧還原PNP過程中,前10min內Fe2+迅速將電子轉移給LQ,Fe2+濃度降低,Fe3+濃度快速增加,10min后不同價態鐵離子濃度幾乎不再變化.

3.3 在LQ介導Fe2+-STPP厭氧還原PNP過程,LQ接受電子后主要生成非醌類副產物,形成副產物部分的電子反應不可逆,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.