热活化过硫酸盐高效降解废水中2,4-二硝基苯酚的工艺优化与毒性削减机制研究

本研究针对工业废水中高毒性难降解污染物2,4-二硝基苯酚(2,4-DNP)的治理难题，创新性地采用热活化过硫酸盐(PS)高级氧化工艺，通过响应面法优化反应温度(60°C)、pH(5)和PS浓度(10 mM)等关键参数，实现98.8%的降解效率和70%的TOC去除率。研究发现零价金属(ZVI/ZVC/ZVZ)和氮气可显著促进SO4 •? 生成，而Cl? 和HCO3 ? 会抑制降解。毒性评估显示处理后废水毒性单位(TU)从3.7降至1以下，为工业废水处理提供了高效解决方案。

　　

工业废水中的硝基酚类化合物因其强抗降解性和生物累积性被列为持久性有机污染物(POPs)，其中2,4-二硝基苯酚(2,4-DNP)因剧毒性和难降解特性被美国环保署列为优先控制污染物，其在水体中的限值严苛至10 ng/L。传统处理方法难以有效去除这类顽固污染物，而基于硫酸根自由基(SO₄
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)的高级氧化工艺(AOPs)因其强氧化性和选择性成为研究热点。过硫酸盐(PS)在热活化条件下可高效产生SO₄
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，但实际应用中存在参数优化不足、共存离子干扰机制不明、毒性演变规律不清等科学问题。

为攻克这些难题，国内研究团队在《Total Environment Engineering》发表了突破性研究成果。该研究采用响应面法(RSM)结合中心复合设计(CCD)，系统考察了温度、pH和PS浓度对2,4-DNP降解的影响规律，并通过添加零价金属纳米颗粒(ZVI/ZVC/ZVZ)和氮气强化反应体系，同时解析了Cl^?
和HCO₃
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的抑制机制。关键技术包括：热活化PS反应体系构建、HPLC中间产物分析、Daphnia magna急性毒性测试，以及TOC/COD去除率评估。

3.1 模型验证与参数优化
通过17组实验建立的二次回归模型(R2=0.9336)显示，温度对降解效率影响最大(F值131.15)，最优条件为60°C、pH5、10 mM PS，此时2,4-DNP去除率达98.8%。

3.2 关键参数交互作用
酸性条件(pH5)最有利SO₄
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生成，碱性条件下SO₄
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会转化为氧化性较弱的HO•。温度升高加速PS分解，但超过60°C会导致自由基猝灭。

3.3 阴离子抑制效应
Cl^?
通过生成活性较低的Cl•/Cl₂
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使效率降低25%，HCO₃
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则转化为HCO₃
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/CO₃
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削弱氧化能力。

3.4 金属催化剂增效
ZVI使降解率提升至99.5%，其机理为Fe⁰
→Fe²⁺
持续活化PS；ZVZ通过Zn⁰
→Zn²⁺
过程同样显著提升反应效率。

3.7 实际废水处理
对石化废水(含16.56 mg/L 2,4-DNP)处理显示，60分钟内实现90.2%污染物去除和65.4% TOC削减，证实工艺的实际应用潜力。

3.10 降解路径解析
HPLC检测到对苯二酚、马来酸等中间产物，证实2,4-DNP通过苯环开环最终矿化为CO₂
和H₂
O，关键步骤涉及SO₄
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攻击硝基(速率常数2.5×10⁹
M^?1
s^?1
)。

3.11 毒性演变规律
Daphnia magna测试显示LC₅₀
从26.4%提升至241%，毒性单位(TU)从3.7降至1以下，BOD₅
/COD比值从0.27升至0.65，满足US EPA排放标准。

该研究创新性地建立了热活化PS降解2,4-DNP的完整技术体系，阐明了"自由基生成-污染物转化-毒性削减"的级联机制，为工业废水处理提供了兼具高效性和安全性的解决方案。特别值得注意的是，通过金属催化剂与氮气的协同作用，在温和条件(60°C)下实现了近完全矿化，大幅降低了能耗需求。研究提出的降解路径模型和毒性评估方法，为同类难降解有机污染物的治理提供了重要范式。