響應(yīng)面法優(yōu)化納米鐵活化過二硫酸鹽降解17β-雌二醇

林 強, 龔開晟, 金曉英,*

(1. 福建省水土保持試驗站, 福建 福州 350001; 2. 福建師范大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院, 福建 福州 350117)

0 引 言

環(huán)境內(nèi)分泌干擾物(EDCs)是一種對動植物和人類健康產(chǎn)生嚴重內(nèi)分泌干擾作用的物質(zhì),由于其來源廣、危害大的特性,近年來受到極大的關(guān)注。EDCs主要通過城市污水、工業(yè)廢水排放等途徑進入環(huán)境,對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生潛在風險[1]。其中,17β-雌二醇(E2)作為典型的EDCs普遍存在于廢水和地表水中,被認為是最具潛在的負面影響污染物之一。宋文婷等[2]發(fā)現(xiàn),在三漢河斷面、江心洲斷面和大橋斷面都檢測了不同程度的環(huán)境雌激素,其中E2當量因子分別為0.24、0.38、0.45 ng·L-1。JIANG等[3]對我國六大水系的23個水源地的水質(zhì)檢測調(diào)查結(jié)果顯示,4-壬基酚、17α-乙炔雌二醇(EE2)和E2是主要環(huán)境雌激素污染物質(zhì)。因此,處理廢水中的E2等內(nèi)分泌干擾物已經(jīng)成為了一個亟待解決的問題。

因此,本文利用桉樹葉提取液合成的納米鐵(Fe NPs)活化PDS氧化降解水中的E2。通過響應(yīng)面優(yōu)化法探究了Fe NPs活化PDS去除E2的最佳條件(溶液初始pH、反應(yīng)溫度、材料投加量、氧化劑濃度以及污染物的初始濃度)。同時,利用電子順磁共振(EPR)技術(shù)和自由基淬滅實驗驗證了Fe NPs活化PDS所產(chǎn)生的自由基。本研究為環(huán)境水體中的EDCs污染治理提供了技術(shù)參考。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料與儀器

六水合氯化鐵(FeCl3·6H2O,AR)、17β-雌二醇(C18H24O2,AR) 、乙醇(CH3CH2OH,AR)、甲酸(HCOOH,GR)、乙腈(C2H3N,GR)、5,5-二甲基-1-吡咯啉 N-氧化物(DMPO, C6H11NO,AR)、甲醇(CH3OH,AR)和叔丁醇(C4H10O,AR)。

真空冷凍干燥機(LGJ-12,北京松源華興科技發(fā)展有限公司);高效液相色譜儀(1260 Infinity II,安捷倫科技有限公司);全溫型恒溫培養(yǎng)搖床(TY-70B,天津市泰斯特儀器有限公司);電子順磁共振光譜儀(MS 5000X,德國弗賴貝格儀器公司)。

1.2 Fe NPs的制備

稱取30 g晾干的桉樹葉,烘干剪碎后與500 mL的超純水混合,在80 ℃的恒溫水浴鍋中加熱1 h,靜置冷卻后進行抽濾,從而得到桉樹葉提取液。配置0.1 mol·L-1的FeCl3的溶液,按1∶2的比例和桉樹葉提取液混合,在N2保護下攪拌30 min后真空抽濾,經(jīng)純水、乙醇洗滌3次后,冷凍干燥48 h,研磨處理后即得到平均粒徑為70～80 nm的Fe NPs[8]。

1.3 FeNPs活化PDS去除E2

稱取一定量的Fe NPs置于250 mL錐形瓶中,加入100 mL的E2溶液和一定濃度的PDS,調(diào)節(jié)溶液pH至適宜范圍后,置于恒溫培養(yǎng)振蕩器中,在一定溫度下以250 r/min的速度振蕩。反應(yīng)60 min后加入0.05 mL甲醇以發(fā)生淬滅反應(yīng),取樣2 mL。將實驗過程中所取的水樣用0.22 μm聚四氟乙烯濾膜(PTFE)過濾,并用高效液相色譜分析E2剩余濃度。每組實驗均設(shè)置三個對照組。

1.4 響應(yīng)面優(yōu)化實驗設(shè)計

基于Box-Behnken響應(yīng)面來進行實驗設(shè)計[9],選取污染物初始濃度、材料投加量、氧化劑濃度、pH以及溫度五個變量分別作為響應(yīng)面優(yōu)化實驗的考察因素A、B、C、D、E,初始濃度的三個水平分別設(shè)為2、3、4 mg·L-1;材料投加量的三個水平分別設(shè)為0.01、0.05、0.09 g·L-1;氧化劑濃度的三個水平分別為2、6、10 mmol·L-1;pH的三個水平分別為3、6、9;溫度的三個水平分別為15、30、45 ℃。以E2的去除率作為響應(yīng)值Y值,建立五因素三水平的響應(yīng)面分析組合,從而設(shè)計了46組的實驗。實驗因素及水平見表1。為了盡量降低實驗的隨機誤差對實驗數(shù)據(jù)的影響,設(shè)置了其中的1、2、13、32、37、39組為中心點,其余40組為析因?qū)嶒炦M行[10]。

表1 自變量范圍和相應(yīng)的編碼水平

1.5 分析方法和數(shù)據(jù)處理

E2的HPLC測定方法:在C18柱(5 μm,4.6 mm×150 mm,Phenomenex)上使用0.1%甲酸和乙腈在梯度洗脫中進行分離。其中,LC-UV的條件是二元流動相,流速為0.4 mL·min-1。在0～1 min內(nèi),0.1%甲酸和乙腈的體積比保持7∶3(v∶v);在1～11 min內(nèi),乙腈的比例從30%提高到100%;在11～16 min內(nèi),流動相保留純乙腈。每個樣品都通過標準曲線進行校準。檢測波長為281 nm。此外,E2去除效率利用公式(1)計算:

(1)

式(1)中,R表示E2的去除率,C0和Ct分別為E2的初始濃度和反應(yīng)時間為t時的濃度,mg·L-1。

E2降解產(chǎn)物分析:在負電噴霧(ESI)模式下,使用液相色譜-四極桿飛行時間質(zhì)譜(LC/Q-TOF-MS)進行測定。LC-MS的二元流動相的流速為0.28 mL·min-1。在0～32 min內(nèi),0.1%甲酸與乙腈的體積比(v∶v)為1∶3;在32～40 min內(nèi),0.1%甲酸從25%上升到75%,而乙腈從75%下降到25%。

電子順磁共振光譜(EPR)測定條件:磁場從313 mT到363 mT;調(diào)制頻率為100 KHz;掃描時間為60 s;微波功率為10 mW。

1.6 循環(huán)穩(wěn)定性實驗

在E2初始濃度為3 mg·L-1、Fe NPs和PDS投加量分別為0.09 g·L-1和6 mmol·L-1、溶液初始pH為3、溫度30 ℃、反應(yīng)時間60 min的實驗條件下考察Fe NPs 循環(huán)使用能力。在每次反應(yīng)后,用純水洗滌數(shù)次過濾后在80 ℃烘箱中干燥6 h備用,上述步驟重復(fù)進行5次,以此來評價Fe NPs的穩(wěn)定性。

2 結(jié)果與討論

2.1 響應(yīng)面實驗結(jié)果與分析

以Box-Behnken響應(yīng)面為參考設(shè)計的實驗方法,對影響E2去除效率的5個單因素(目標污染物濃度、材料投加量、氧化劑濃度、溶液初始pH以及溫度)進行組合,共有46組實驗點,響應(yīng)面的實驗設(shè)計情況與數(shù)據(jù)結(jié)果見表2。

表2 響應(yīng)面實驗設(shè)計方案與實驗結(jié)果

2.2 響應(yīng)面顯著性檢驗與方差分析

通過對E2去除效率分析得到回歸模型方差分析,結(jié)果見表3。

表3 方差分析

模型F值為23.89,模型的P值小于0.000 1,這表明實驗選用的模型顯著[11]。從失擬項來看,其F值為1.76,P值為0.277 3>0.05,說明該實驗的失擬項相對于純誤差而言并不顯著,非實驗因素對于該實驗造成的誤差較小。有效信號與噪聲的比率表示實驗?zāi)Ｐ偷木芏?通常情況下比率大于4.0視為可取的,該實驗中精密度達到了18.663,表明有效信號充足[12]。決定系數(shù)R2為0.950 3,矯正后的決定系數(shù)R2為0.910 5,與預(yù)測的決定系數(shù)R2為0.817 0差值小于0.2, 結(jié)果基本一致,說明該模型矯正后所得值和預(yù)測值擬合良好,對實驗結(jié)果能有一個良好的響應(yīng),能夠用于E2去除率與五個因素之間變化趨勢的預(yù)測[13]。

2.3 影響因素交互作用分析

初始濃度與pH的交互相(AD)、材料投加量與氧化劑濃度的交互相(BC)、pH與溫度的交互相(DE)這三類交互相對響應(yīng)值有著重要的影響。因此本實驗為進一步探究以上三個交互相對于響應(yīng)值的作用,應(yīng)用Design-Expert 12統(tǒng)計軟件進行了回歸處理,固定了剩余的三個因素,分別得到初始濃度與pH的交互相(AD)、材料投加量與氧化劑濃度的交互相(BC)、pH與溫度的交互相(DE)所構(gòu)成的響應(yīng)面圖(圖1)。響應(yīng)面圖能夠直觀地反應(yīng)各個因素對于響應(yīng)值的作用。響應(yīng)面圖的傾斜程度與該因素對響應(yīng)值的影響程度正相關(guān),越傾斜則表示其影響程度越高;3D圖的等高線呈現(xiàn)橢圓狀越明顯,則說明這兩個因素的交互作用越顯著,如若等高線趨近于呈現(xiàn)圓形的趨勢,則說明這兩因素的交互作用不顯著。由圖1可知,相對于材料投加量與氧化劑濃度的交互作用、pH與溫度的交互作用而言,初始濃度與pH的交互作用更加顯著,與表3的分析結(jié)論相同。

圖1 兩兩因素間的交互作用對E2去除效率影響的3D 曲面圖(A-E2初始濃度,mg·L-1;C-PDS濃度,mmol·L-1;D-pH;E-溫度,℃)Fig. 1 Response surface for effects of factors interaction on E2 removal efficiency(A-E2 initial concentration,mg·L-1;C-PDS concentration,mmol·L-1;D-pH;E-temperature,℃)

因此,當污染物E2初始濃度為3 mg·L-1時,Fe NPs的最佳投加量設(shè)置為0.09 g·L-1,氧化劑PDS濃度為6 mmol·L-1,溶液初始pH為3,溫度為30 ℃。

2.4 Fe NPs/PDS體系自由基鑒定分析及淬滅實驗

圖2 電子順磁共振圖Fig. 2 EPR spectra

圖3 自由基淬滅劑對E2降解效率的影響Fig. 3 Effects of free radical quencher onthe degradation efficiency of E2

2.5 E2的降解途徑分析

圖4 E2可能的降解路徑Fig. 4 Possible degradation paths of E2

2.6 重復(fù)利用實驗

本研究通過重復(fù)利用循環(huán)實驗,考察Fe NPs活化PDS降解E2的穩(wěn)定性。如圖5所示,在第4次反應(yīng)結(jié)束后,E2的降解率仍保持在90.0%以上,隨著重復(fù)次數(shù)的增加,E2的降解率出現(xiàn)了不同程度的下降,第5次循環(huán)后,降解效率下降到68.8%。原因可能是重復(fù)過程中部分催化劑的損耗,也可能是由于重復(fù)使用過程中降解產(chǎn)物富集于Fe NPs表面,從而降低了Fe NPs的活性。總體上Fe NPs經(jīng)過4次循環(huán)仍具有較高的催化活性,保持了較好的穩(wěn)定性。

圖5 Fe NPs去除E2的重復(fù)利用實驗Fig. 5 The experiment of Fe NPs reuse for E2 removal

3 結(jié) 論

(1)利用桉樹葉提取液綠色合成的Fe NPs成功活化PDS用于去除E2,響應(yīng)面方差分析結(jié)果顯示,模型(P<0.000 1)顯著,失擬項(P=0.277 3>0.05)不顯著,表明模型合理;模型的決定系數(shù)與校正決定系數(shù)差值<0.2,表明模型擬合性較好。交互作用分析結(jié)果表明,相對于Fe NPs投加量與氧化劑PDS濃度的交互作用、pH與溫度的交互作用而言,E2初始濃度與pH的交互作用更加顯著,即在一定初始濃度下,隨著溶液pH的降低,E2的去除率將顯著提高。

(2)根據(jù)響應(yīng)面優(yōu)化法,利用桉樹葉提取液綠色合成的Fe NPs去除E2的最佳實驗條件為E2初始濃度3 mg·L-1時,Fe NPs投加量為0.09 g·L-1,氧化劑PDS濃度為6 mmol·L-1,溶液初始pH為3,反應(yīng)溫度為30 ℃。此時,E2的去除率達到99.3%。