紫外线活化过硫酸盐氧化戊二醛的可行性研究

《ACS ES&T Water》：Feasibility Study of UV Activated Persulfate Oxidation of Glutaraldehyde

　　

戊二醛（GA）被广泛用作广谱杀菌剂用于医疗器械消毒；然而，残留的GA可能会抑制生物处理过程并对受纳环境产生不利影响。本研究评估了紫外线活化过硫酸盐（UV/S₂O₈^2–）工艺产生硫酸根自由基（SO₄^•–）降解GA的效果，并考察了过硫酸盐（PS）投加量和紫外线强度对降解、矿化、反应动力学和氧化剂消耗的影响。采用254 nm低压汞灯进行批次实验，通过测量GA浓度、总有机碳（TOC）和残留PS来评估处理性能。在pH调节、单独PS和单独UV条件下，GA基本保持稳定，表明直接光解和未活化的PS效果不佳。相比之下，UV/S₂O₈^2–迅速降解GA并导致初始溶液酸化。增加PS投加量和UV强度提高了GA去除率和TOC矿化率；然而，过量的PS带来的改善效果递减，可能是因为自由基自消耗和竞争性副反应。在8 W UV和0.5–1.0 mM PS条件下的动力学分析表明，这是一个以SO₄^•–为主的机理，稳态自由基浓度约为10^–8 M。这些发现支持UV/S₂O₈^2–作为一种有前景的含GA废水预处理技术，并为工艺优化和放大提供了指导。

**论文解读：紫外线活化过硫酸盐氧化戊二醛的可行性研究**

**研究背景与问题**
戊二醛（GA）作为一种高效广谱杀菌剂，广泛用于医疗器械消毒，但其残留物会抑制生物处理工艺并对受纳水体造成生态毒性。现有处理手段（如化学中和、吸附或膜分离）主要依赖相转移或活性降低，难以实现彻底矿化，且可能产生二次污染。高级氧化工艺（AOPs）基于羟基自由基（•OH）和硫酸根自由基（SO₄^•–）的强氧化性，可快速破坏有机污染物结构。其中，紫外线活化过硫酸盐（UV/S₂O₈^2–）工艺因室温活化、易与现有消毒系统集成等优势而备受关注。然而，针对GA在该体系中的降解行为、矿化效率及氧化剂利用特性尚缺乏系统研究。为此，研究人员开展了本研究，旨在评估UV/S₂O₈^2–工艺处理GA的可行性，为医疗及工业含GA废水预处理提供依据。论文发表在《ACS ES》。

**关键技术与方法**
研究采用批次实验，在封闭反应器中进行，使用254 nm低压汞灯（8 W或15 W）作为UV光源，通过改变初始PS浓度（1、5、10 mM）和UV强度评估工艺性能。GA浓度经2,4-二硝基苯肼衍生化后采用高效液相色谱-光电二极管阵列检测器（HPLC-PDA）测定，PS浓度通过碘量法滴定，TOC采用湿氧化法测定。动力学分析基于伪稳态假设，计算表观反应速率常数（k₁）和稳态SO₄^•–浓度，并评估反应化学计量效率（%RSE）。所有实验在25±2 °C下进行，pH未受控（除非特别说明）。

**研究结果**
**3.1 非活化条件下GA的背景反应**
在无PS和UV的对照实验（pH 3、7、11及未调节）中，GA浓度在120 min内变化<20%，表明GA在酸碱性条件下均稳定。单独PS（5 mM）仅引起<10%的GA变化，pH缓慢下降至4.3，但未促进降解。单独UV（8 W或15 W）下GA去除率仅20–40%，且pH下降至4.3，说明直接光解效率有限。这些结果排除了非活化途径对GA降解的贡献，确认了UV/S₂O₈^2–体系中自由基反应的主导地位。

**3.2 不同PS投加量和UV强度下UV/S₂O₈^2–体系对GA的氧化与矿化**
在15 W UV下，PS浓度从1 mM增至5 mM时，GA降解速率显著提高，TOC矿化率也随之增加；但进一步增至10 mM时效果提升有限，表明过量PS引发自由基自消耗和竞争性副反应。溶液pH在前20 min内迅速降至2.0–2.5，证实初始酸化由PS活化产生。在1 mM PS下，8 W UV比15 W UV获得更高的TOC矿化率，提示较低UV强度有利于减少自由基自淬灭。伪一级动力学拟合显示，8 W UV下速率常数随PS浓度增加而增大（0.5 mM时0.0206 min^–1，5 mM时0.2999 min^–1），15 W UV下1 mM PS时速率常数为0.1332 min^–1，高于8 W同条件。

**3.3 UV/S₂O₈^2–体系中GA的降解动力学**
通过构建包含SO₄^•–生成、与GA反应、与PS反应及自反应的动力学模型，利用初始速率法估算参数。以8 W UV、0.5 mM PS为例，求解得表观k₁为8.12×10³ M^–1 s^–1，稳态[SO₄^•–]_ss为5.26×10^–8 M。不同条件下，虽然PS投加量增加可提高初始降解速率，但稳态自由基浓度并未成比例上升，表明自由基生成与消耗之间存在动态平衡。%RSE分析显示，8 W UV下0.5–1 mM PS可获得89.8–80.2%的高氧化剂利用效率，而更高PS投加量时%RSE大幅下降（15 W UV下10 mM PS时仅7.7%），证实适度UV强度与低PS投加量有利于提高化学计量效率。

**总结与结论**
研究人员系统评估了UV/S₂O₈^2–工艺处理GA的可行性。非活化条件下GA稳定，UV活化后迅速降解并伴随酸化。增加PS投加量和UV强度可提升降解和矿化，但过量PS因自由基自消耗而效率递减。动力学分析表明降解以SO₄^•–为主导，%RSE分析强调了优化PS投加量对平衡降解性能与氧化剂利用效率的重要性。研究结论指出：UV/S₂O₈^2–是一种有前景的含GA废水预处理技术，在适当操作条件下可同时实现高效氧化和矿化，为医疗及特种工业含消毒剂废水的预处理设计和中试评估提供了重要依据。