高鐵酸鉀氧化降解氧氟沙星的機理

李亞男,馮 卓,王嘉琪,郭 凱,張國凱

高鐵酸鉀氧化降解氧氟沙星的機理

李亞男1*,馮 卓1,王嘉琪1,郭 凱1,張國凱2

(1.太原理工大學環境科學與工程學院,山西 晉中 030600；2.中海國亞環保工程有限公司,山西 太原 030012)

以喹諾酮類抗生素氧氟沙星(OFL)為目標物質,研究高鐵酸鉀(Fe(VI))對OFL的去除及氧化機理.采用高效液相色譜儀(HPLC)、液相色譜-質譜聯用儀(UPLC-QTOF-MS)等方法,考察Fe(VI)投加量、pH值、溫度和共存物質等因素對OFL降解效果的影響,分析反應動力學,計算過程中Fe(VI)的貢獻率,識別Fe(VI)氧化OFL的產物并推測主要反應路徑.結果表明:當Fe(VI)與OFL的物質的量比為40:1、pH值為8、溫度為25°C時,反應30min后OFL的降解率達到92.38%,前5min快速反應階段,OFL的降解符合偽二級反應動力學.反應過程的活化能為28.17kJ/mol.反應中Fe(VI) 及中間高價態鐵的貢獻率為70.34%,且腐殖酸會顯著抑制該反應.通過對氧化產物進行分析提出了Fe(VI)氧化OFL的3條主要路徑.OFL經脫羧、去甲基、脫羰、羥基化等反應,實現其分子上喹諾酮取代基、哌嗪基環及惡嗪基環的開環.

高鐵酸鉀；氧氟沙星；影響因素；共存物質；中間產物；降解路徑

氧氟沙星(OFL)是一種第二代氟喹諾酮類抗生素(FQs),具有抗菌譜廣、易于吸收的特點,是人類和動物傳染病治療中應用最廣泛的抗生素之一[1],也是自然水體和廢水中最常見的抗生素[2].OFL在地表水和廢水中檢測到的濃度在ng/L至mg/L之間[3-4],在地下水和飲用水中也能檢測到一定濃度[1,5].自然水體中殘留的OFL不僅會污染環境,也會導致水環境中細菌的耐藥性不斷增加,對人類健康和生態系統產生不利影響[6].因此,需尋求高效去除水中OFL的方法,為OFL在水體中的污染控制提供理論與技術支持.

研究表明,高級氧化或化學氧化法對含藥物廢水的處理效果較好.如Fenton試劑、高錳酸鹽、過硫酸鹽和臭氧等氧化劑因其高反應性而具有獨特的氧化去除藥物污染物的能力[7-10].高鐵酸鹽(Fe(VI))作為一種綠色氧化劑,在酸性條件下的氧化還原電位為2.20V,高于大部分常見的氧化劑,在堿性條件下的氧化還原電位為0.72V,在較大的pH值范圍內都具有較強的氧化性能[11],因此Fe(VI)可以在處理藥物污染物時起到良好的效果[12-13],并且Fe(VI)在使用后的還原產物為具有絮凝作用的Fe(III),也可對目標物的去除起到一定作用[14].

Fe(VI)可氧化降解水中部分FQs,如Fe(VI)能去除水體中微量濃度的環丙沙星、恩諾沙星和諾氟沙星,去除率達到85%以上[15-17]. Fe(VI)與FQs的反應主要是Fe(VI)通過親電反應對喹諾酮環及含氮環進行攻擊,隨后發生脫羧、去甲基、脫羰、羥基化反應最終實現對FQs的氧化降解[15,18]. OFL由于含有惡嗪取代基,且哌嗪取代基的結構不同,分子結構更為復雜.但是,有關Fe(VI)氧化OFL的影響因素及反應機理的研究尚未報道.

基于此,開展高鐵酸鉀去除水中OFL的效能及機理研究,考察Fe(VI)投加量、pH值、溫度和共存物質等因素對OFL去除效果的影響,分析反應過程中的產物,推測降解路徑,明晰Fe(VI)氧化OFL的反應機制,完善Fe(VI)氧化氟喹諾酮類有機物理論,以期為含痕量抗生素廢水的處理提供參考.

1 材料和方法

1.1 試劑與儀器

OFL(分析純,純度>98%)、高鐵酸鉀(分析純,純度395%)、叔丁醇(分析純,純度399.0%),均購自上海麥克林生化科技有限公司;乙腈(HPLC級),購自賽默飛世爾科技有限公司;腐殖酸(黃腐殖酸FA390%),購自阿拉丁試劑有限公司;甲酸、鹽酸羥胺、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉、硼酸、硼砂、氯化鈉、碳酸氫鈉、硝酸鈉、硫酸鈉、硫酸銅、硫酸鎂、硫酸鈣及無水硫酸鈉均為分析純,購自太原津昌華科貿有限公司.實驗中所有溶液均由超純水配置.

恒溫磁力加熱攪拌器; G711A型高效液相色譜儀HPLC ,美國安捷倫科技有限公司;pHS-3C型pH計,上海雷磁儀器廠; 1290型超高效液相色譜儀UPLC,美國安捷倫科技有限公司;6550型高分辨質譜儀QTOF,美國安捷倫科技有限公司.

1.2 實驗方法

OFL儲備液:稱取100mg OFL置于250mL燒杯中,加入超純水后置于超聲波清洗機中在100kHz超聲頻率下超聲15min至完全溶解,移至1L容量瓶中定容,配置得到100mg/L的標準儲備液,低溫避光保存,使用時稀釋至所需濃度.

Fe(VI)儲備液:取0.1096g K2FeO4溶于硼砂-硼酸緩沖溶液(pH=8)中,繼續用緩沖溶液定容至20mL,得到K2FeO4儲備液,現配現用.

Fe(VI)氧化OFL實驗:取5mL儲備液,用緩沖溶液定容至100mL,得到5mg/L反應液,移至200mL燒杯,將一定量的Fe(VI)儲備液加入反應液中,在一定溫度下攪拌并開始計時,反應過程中在不同時間點取樣3mL上清液移至預先加入過量鹽酸羥胺終止劑的試管中,用0.22μm有機相濾膜過濾后,測定OFL濃度.

羥基自由基HO·的掩蔽實驗:在進行Fe(VI)氧化OFL實驗前在反應液中加入過量的叔丁醇進行HO·掩蔽,過程中測定OFL濃度.

共存物質影響實驗:在Fe(VI)氧化OFL實驗中加入一定濃度的常見陰、陽離子(Cl-、NO3-、SO42-、HCO3-、Mg2+、Ca2+和Cu2+)、腐殖酸進行實驗,檢測其對Fe(VI)氧化降解OFL的影響情況.

UPLC-QTOF-MS樣品預處理:實驗過程中取樣并終止反應后,加入氯化鈉至飽和,再加入15mL甲醇,震蕩20min后將混合液移至分液漏斗中靜置分層,收集有機層.進行2次萃取操作后向所得有機相中加入過量無水硫酸鈉吸干水分,使用旋轉蒸發器將所得樣品濃縮至2mL,進行產物檢測.

1.3 分析方法

1.3.1 動力學分析 OFL的降解速率采用偽二級反應動力學描述,如式(1)所示:

式中:為任意時刻OFL剩余濃度,mg/L;0為OFL初始濃度,mg/L;obs為OFL的降解反應速率常數,L/(mg·min);為反應時間,min.

1.3.2 活化能計算 Fe(VI)氧化OFL的活化能根據阿倫尼烏斯公式進行計算,如式(2)所示:

式中:為溫度,K;a為表觀活化能,J/mol;為表觀指前因子,單位與obs一致,為摩爾氣體常數,8.314J/(mol·K).

1.3.3 測試方法 OFL濃度測定:利用HPLC進行測定,色譜柱為InfinityLab Poroshell 120,流動相為乙腈:甲酸水(體積分數0.1%)=20:80(),流量0.8mL/min,進樣量為50μL,檢測波長為288nm.

LC-QTOF-MS檢測:OFL氧化產物測定通過超高效液相色譜-串聯高分辨質譜儀(UPLC-QTOF- MS)進行.色譜柱為waters BEH C18(2.1mm× 50mm×1.7μm),流動相由A(0.1%甲酸水)和B(乙腈)組成.梯度洗脫程序見表1.流速0.3mL/min,進樣量5μL,在ESI+模式下進行質譜掃描,掃描范圍為20～ 500/,脫溶劑氣體流速12L/min,脫溶劑溫度350°C.

表1 梯度洗脫程序

所有實驗數據均經過3次平行實驗測定得到,數據分析及曲線圖、柱狀圖繪制均采用OriginPro 8.0軟件,降解路徑推測圖使用Kingdraw繪制.

2 結果與討論

2.1 Fe(VI)降解OFL的影響因素

2.1.1 Fe(VI)投加量對OFL去除效果的影響 由圖1a可知,Fe(VI)氧化OFL的反應主要發生在前5min且OFL的降解效果明顯,隨著反應的進行,OFL的去除率趨于平緩.當(K2FeO4):(OFL)為10:1,20:1,30:1,40:1,50:1時,30min內OFL的去除率分別為30.76%,53.10%,74.18%,92.38%,94.98%.可見,OFL的去除率隨著Fe(VI)投加量的增大而顯著提高.隨著Fe(VI)投加量的增大,Fe(VI)與OFL分子發生反應的概率相應增加,因此OFL的去除率逐漸增大.當Fe(VI)的投加量從40:1增加至50:1時,OFL的去除率只增加了2.60%,這可能是因為過量的Fe(VI)在水中的自分解反應加劇[19],導致其在反應液中的有效濃度低于理論濃度.結合最終去除效果及經濟成本因素,本實驗選用的投加量為(K2FeO4):(OFL)=40:1.該投加量與Fe(VI)氧化氯霉素的最佳投加量相同[20].

不同Fe(VI)投加量下的反應動力學參數見表2,結合圖1b可以看出,在前5min快速反應階段,1/- 1/0與存在顯著的線性關系,說明OFL的降解速率符合偽二級動力學模型,而Fe(VI)氧化許多有機物時的反應均符合二級動力學模型[21].

0=5mg/L、pH=8、溫度25°C

表2 不同Fe(VI)投加量下的動力學參數

2.1.2 pH值對OFL去除效果的影響 由圖2a可見,反應30min內,pH值從5上升至7時,OFL的最大去除率從45.36%降低至39.02%,在pH=8時去除率達到最大值,為92.38%,pH值上升至9時,去除率卻降低至68.98%,可見pH=8時Fe(VI)對OFL的氧化效果最佳.

不同pH值下的反應動力學參數見表3,結合圖2b可知,pH值為5時反應速率常數略大于pH值為6和7時,這是因為Fe(VI)在酸性環境下具有較高的質子化程度,大部分以HFeO4-和H2FeO4的形式存在,氧化還原電位較高,因此Fe(VI)能更快地與目標物發生反應[22].但酸性環境在促進反應快速發生的同時也會削弱Fe(VI)自身的穩定性,促使Fe(VI)自分解反應的進行[23],導致部分Fe(VI)在與OFL發生反應前就被氧化為Fe(III)和O2,而O2在溶液中的氧化能力不足以降解OFL,因此OFL的去除率變低.

0=5mg/L、(K2FeO4):(OFL)=40:1、溫度25°C

而在堿性條件下,Fe(VI)的自分解反應變慢,實際參與氧化OFL的有效濃度大.且在該環境下,溶液pH值大于OFL的酸解離常數(pa2=7.90～8.22),OFL分子上的羧基官能團會發生去質子化反應,使OFL分子大部分帶負電[24-25].而Fe(VI)氧化反應具有選擇性[26],與含富電子基團的物質有較高的反應速率[27].因此,在堿性條件下,Fe(VI)更易與OFL分子發生化學反應,且可彌補該條件下Fe(VI)氧化能力弱的缺點,最終提高整體去除率.相反,在酸性條件下,溶液pH值小于OFL的酸解離常數(pa1=5.70～6.05),OFL分子上哌嗪基環上的氨基官能團帶一個正電荷,使OFL分子大部分帶正電,不利于其與Fe(VI)發生反應[24-25].

表3 不同pH值下的反應動力學參數

0=5mg/L、(K2FeO4):(OFL)=40:1、pH=8

可見,pH值對OFL去除的影響要綜合考慮Fe(VI)的氧化能力、穩定性及OFL的存在形態等,酸性環境可以提高Fe(VI)的氧化能力,但OFL分子大部分帶正電,而堿性環境可以維持Fe(VI)的有效濃度,且OFL分子大部分帶負電. Zhou等[15]在研究Fe(VI)氧化環丙沙星時也發現在pH值為8,9時目標物質的去除率均能達到90%以上.鑒于Fe(VI)自身的穩定性及其發生氧化反應的選擇性,反應的最佳pH值為8.

2.1.3 溫度對OFL去除效果的影響 由圖3a可知,當反應溫度從15°C,升高至45°C,時,OFL的去除率逐漸增加,但增加的幅度都不大,降解率分別為90.36%,92.38%,93.16%和94.08%.

不同溫度下的反應動力學參數見表4,結合圖3b可知,溫度的升高加快了整體反應速率,反應速率常數obs從0.205L/(mg·min)升至0.571L/(mg·min).這可能是因為升溫時分子運動速率增大,Fe(VI)與OFL分子的有效碰撞頻率增加.但升溫的同時也會降低Fe(VI)自身的穩定性,使得參與氧化OFL的Fe(VI)的有效濃度降低,因此溫度升高沒有顯著提升OFL的去除率.

對不同溫度下的obs與溫度進行擬合,發現obs與的關系符合阿倫尼烏斯公式,ln(obs)與1/具有良好的線性關系(2=0.95409),反應活化能a=28.17kJ/ mol,說明反應極易發生,且反應速率較快.

其設計思路為分別將多種模式的中頻結構都提前設計好,采用模式選擇的方式來完成各種通信模式的切換,實現兼容多種通信模式信號功能。并行多模數字中頻結構的實現比較容易,只需要將各種單模的中頻模塊類比復制設計即可,通過模式選擇模塊實現各種模式的選擇切換。但是該方案會犧牲很多硬件資源,對于資源有限的FPGA而言并不是一種性價比高的設計。

表4 不同溫度下的反應動力學參數

2.2 HO·掩蔽實驗

Fe(VI)氧化降解有機物主要有2種途徑:Fe(VI)直接氧化和反應過程中生成的新自由基HO·間接氧化[28](式3和式4).

因此,基于上述最佳反應條件,在反應體系中加入過量HO·掩蔽劑叔丁醇,考察Fe(VI)直接氧化和HO·間接氧化在Fe(VI)氧化OFL中的貢獻率.

由圖4可知,反應液中加入叔丁醇后OFL的去除率由92.38%降低至70.34%,這是因為溶液中的叔丁醇會中斷Fe(VI)的自由基鏈反應,并消耗Fe(VI)生成的HO·[29],但Fe(VI) 及中間高價態鐵仍然發揮著重要的氧化作用.通過對比兩組實驗中OFL的最終去除率可知,Fe(VI)及中間高價態鐵對OFL去除的貢獻率為70.34%,HO·及其它活性物質的貢獻率為22.04%.Fe(VI)及中間高價態鐵對OFL去除的貢獻率較高,進一步證明了穩定性較高的Fe(VI)易與帶負電的OFL發生氧化反應.

圖4 叔丁醇對Fe(VI)氧化降解OFL的影響

2.3 共存物質對OFL降解的影響

2.3.1 共存離子對OFL去除效果的影響 在OFL初始濃度為5mg/L,pH=8,溫度為25°C,高鐵酸鉀投加量為(K2FeO4):(OFL)=40:1的條件下,考察自然水體及廢水中較為常見的陰離子(Cl-、NO3-、SO42-和HCO3-)、陽離子(Mg2+、Ca2+和Cu2+)對OFL降解效果的影響.所有離子濃度均為5mmol/L,反應時間為30min.實驗結果如圖5所示.

圖5 共存離子對OFL降解率的影響

可見,4種陰離子對OFL的去除效果影響較小.當反應液中不含共存離子時,OFL去除率為92.38%,在Cl-、NO3-、SO42-和HCO3-存在的情況下OFL的去除率分別降低了1.21%,2.30%,3.02%和4.50%,其中HCO3-對OFL去除效果的影響較為明顯.一方面,HCO3-可能會與Fe(OH)3發生絡合,削弱Fe(OH)3的吸附能力[30]從而導致OFL的去除率降低.另一方面,HCO3-會與HO·發生反應,消耗溶液中的自由基[31],導致OFL的去除率降低.但HCO3–對溶液pH值的影響仍在硼酸-硼砂緩沖溶液的緩沖范圍內,對Fe(VI)氧化效果的影響仍然較小,這也與已報道的研究結果一致[18,32-33].

相對地,3種陽離子對OFL的去除效果影響較大.當二價堿金屬離子Mg2+和Ca2+存在時,OFL的去除效果受到了明顯的抑制,去除率分別降低13.22%和15.53%,Ca2+的抑制效果略大于Mg2+,這是因為溶液中的Mg2+和Ca2+加劇了Fe(VI)的自分解反應[34],導致OFL的去除率降低.而反應液中存在過渡金屬離子Cu2+時,OFL的去除率降低11.36%,這可能是因為過渡金屬離子傾向于與有機分子形成絡合物,而Fe(VI)與金屬絡合物的反應較為緩慢,對Fe(VI)與目標物之間的反應產生負面影響[18].

2.3.2 腐殖酸對OFL去除效果的影響 在OFL初始濃度為5mg/L,pH=8,溫度為25°C,高鐵酸鉀投加量為(K2FeO4):(OFL)=40:1的條件下,當反應液中HA濃度分別為0,1,5,10mg/L時,OFL的去除率逐漸降低,分別為92.38%、89.08%、79.76%、72.12%.Feng等[18]研究顯示,隨著HA濃度增加,Fe(VI)對氟甲喹的氧化效果呈非線性下降趨勢,當HA濃度為15mg/L時,氟甲喹去除率下降了40%.Yang等[35]在使用Fe(VI)氧化四溴雙酚A和雙酚A時,添加20mg/L的HA后,四溴雙酚A和雙酚A降解率分別從70%下降到33.2%和28.4%.這可能是因為腐殖酸的一些不飽和基團如羥基、酚羥基會與OFL形成競爭[36],干擾Fe(VI)氧化降解OFL,從而降低OFL的去除率.

2.4 Fe(VI)降解OFL的產物分析和路徑推測

將實驗樣品進行預處理后,進行UPLC-QTOF- MS產物測定.通過分析質譜圖,得到總計15種OFL降解的中間產物(表5),并推測Fe(VI)氧化OFL的反應路徑(圖6).

表5 OFL的降解中間產物

在路徑I中,由于喹諾酮取代基環上烯烴雙鍵為富電子基團,所以Fe(VI)會優先與喹諾酮取代基上的烯烴雙鍵發生1,3-偶極環加成反應,使得喹諾酮取代基上吡啶環開環生成P1[18],隨后發生脫羰反應生成P2,繼而生成P3,P3羥基化后(P4)進一步生成P5,最終母苯環上與哌嗪取代基環連接的C-N鍵被Fe(VI)攻擊斷裂后生成P6[37].

在路徑II與路徑III中,Fe(VI)會以不同的方式破壞哌嗪基環.路徑II中OFL的哌嗪基環失去2個碳原子后形成P7,隨后形成P8,在Fe(VI)氧化環丙沙星的過程中也有類似反應發生[15]. 哌嗪基環與喹諾酮取代基相連的C-N鍵被攻擊斷裂后生成P9.而路徑III中,OFL經去甲基反應生成P10后,因哌嗪基環側鏈氧化減少至1個氨基后形成P11[38].P11可發生去甲基反應生成P12.另一方面,P11上的惡嗪基環可能被破壞形成P13[39],通過脫氨、脫羧基和吡啶基上C-N鍵的斷裂形成P14,最終通過吡啶環開環、脫氟反應后得到P15[40].

綜上所述,Fe(VI)在氧化OFL時主要通過脫羧、去甲基、脫羰、羥基化等反應實現喹諾酮取代基、哌嗪基環及惡嗪基環的開環,從而達到氧化降解OFL的目的.

圖6 Fe(VI)氧化OFL的途徑

3 結論

3.1 Fe(VI)氧化OFL的最佳條件為:溫度為25℃、(K2FeO4):(OFL)=40:1、pH值為8時,反應30min后,OFL的去除率可達92.38%.反應前5min為快速反應階段,OFL的降解符合偽二級反應動力學模型,反應速率常數obs=0.361L/(mg·min).

3.2 Fe(VI)氧化OFL時,Fe(VI) 及中間高價態鐵起到主要作用,對OFL去除的貢獻率為70.34%,反應過程中生成的HO·及其他活性物質的貢獻率為22.04%.

3.3 Cl-、NO3-、SO42-和HCO3-對降解效果的影響較小,Mg2+、Ca2+和Cu2+對降解效果有小幅抑制作用,腐殖酸對OFL的降解起到顯著的抑制作用.

3.4 OFL被Fe(VI)氧化時可能存在3種降解路徑,主要通過脫羧、去甲基、脫羰、羥基化等反應實現OFL分子上喹諾酮取代基、哌嗪基環及惡嗪基環的開環.

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Oxidation and degradation mechanisms of ofloxacin by potassium ferrate.

LI Ya-nan1*,FENG Zhuo1,WANG Jia-qi1,GUO Kai1,ZHANG Guo-kai2

(1.Department of Environmental Science and Engineering,Taiyuan University of Technology,Jinzhong 030600,China；2.Chinasea Group Co. Ltd.,Taiyuan 030012,China).,2022,42(8)：3696～3703

The oxidation and degradation mechanisms of quinolone antibiotic ofloxacin (OFL) by potassium ferrate (Fe (VI)) were studied.High performance liquid chromatography(HPLC),liquid chromatograph mass spectrometer(UPLC-QTOF-MS) and other methods were used to investigate the effects of Fe (VI) dosage,pH,temperature and coexisting substances on OFL removal,analyze the reaction kinetics,calculate the contribution rate of Fe(VI) in the process of OFL oxidation,identify the products of Fe(VI) and predict the main reaction pathways.The results show that the degradation efficiency of OFL reached 92.38% after 30 minutes of oxidation,with the molar ratio of Fe (VI) to OFL of 40:1,pH of 8 and temperature of 25°C. In the first 5 minutes’ rapid reaction stage,OFL degradation conformed to pseudo second-order reaction kinetics,and the activation energy was 28.17kJ/mol. The contribution of Fe (VI) and the high-valent intermediate iron species to OFL removal was 70.34%,and humic acid significantly inhibited the reaction. Three main oxidation pathways for OFL degradation by Fe (VI) were proposed based on the analysis of reaction products,and the ring cleavages of quinolone,piperazine and oxazine rings were mainly achieved through decarboxylation,demethylation,decarbonylation and hydroxylation.

potassium ferrate；ofloxacin；influencing factors；coexisting substances；intermediate products；degradation pathway

X703

A

1000-6923(2022)08-3696-08

2022-01-01

山西省應用基礎研究計劃項目(20210302123121);自然資源部生態地球化學重點實驗室開放基金(ZSDHJJ201804)

* 責任作者,副教授,liyanan@tyut.edu.cn

李亞男(1983-),女,山西呂梁人,副教授,主要從事污廢水處理技術研究.發表論文30余篇.