首页 > 行业资讯 > CEJ：基于硫酸自由基的高级氧化工艺下含氮杂环化合物的单独和联合降解污染物

CEJ：基于硫酸自由基的高级氧化工艺下含氮杂环化合物的单独和联合降解污染物

时间：2022-05-01 来源： 浏览：

CEJ：基于硫酸自由基的高级氧化工艺下含氮杂环化合物的单独和联合降解污染物

高级氧化圈
高级氧化圈

Aopsfrontier

不限于分享高级氧化技术前沿科学知识。

收录于合集

以下文章来源于Environmental Advances ，作者何茂霞&金哲辉

Environmental Advances .

环境催化前沿进展

第一作者：李明雪博士研究生（山东大学）

通讯作者：何茂霞教授（山东大学）、金哲辉 助理教授（加拿大阿尔伯塔大学）

论文DOI:10.1016/j.cej.2022.136316

图文摘要
成果简介
近日，山东大学何茂霞和加拿大阿尔伯塔大学金哲辉老师等合作在Chemical Engineering Journal上发表了题为“Individual and combined degradation of N -heterocyclic compounds under sulfate radical-based advanced oxidation processes”的研究论文(DOI:10.1016/j.cej.2022.136316)，通过量子化学计算探究了含氮碱基与羟基和硫酸自由基反应产物之间的修复机制：含氮碱基及其羟基化产物可以通过单电子转移和氢原子抽提反应修复阳离子自由基和氮中心自由基，然后结合化学反应模拟研究了含氮碱基的自抑制和联合降解行为，这对于理解真实水环境中污染物的共同去除具有重要意义。
全文速览
这篇论文通过量子化学计算和化学反应模拟研究了五种含氮碱基（腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶和尿嘧啶）在UV/PMS工艺下的单独和联合降解。我们发现羟基和硫酸自由基与碱基的主要反应产物有羟基衍生物、氮中心自由基和阳离子自由基。羟基衍生物的氧化电位低于其母体化合物，因此羟基衍生物可以通过氢原子抽提和单电子转移反应将氮中心自由基和阳离子自由基还原为母体化合物，这就是含氮碱基的自抑制行为。在UV/PMS工艺下，尿嘧啶比腺嘌呤具有更显著的自抑制现象，因为前者具有更高的羟基化衍生物产率。阳离子自由基的还原速率常数与还原剂的氧化电位呈线性关系。而氮中心自由基的还原速率常数不仅与还原剂的氧化电位有关，还可能与反应空间位阻有关。当腺嘌呤和尿嘧啶在UV/PMS工艺混合降解时，腺嘌呤抑制尿嘧啶降解。
引言
在水环境中频繁检出的含氮杂环化合物可能会为生态环境和人体健康带来风险。基于硫酸盐的高级氧化工艺可能是一项有效解决手段。本研究通过量子化学计算和化学反应模拟研究了水环境中普遍存在的含氮碱基在UV/PMS下的单独和联合降解机制。
图文导读
含氮碱基的自修复机制
Fig. 1 .  The self-repair pathway of (a) adenine and (b) guanine. Units in M -1  s -1 . Copyright 2022, Elsevier Inc.
Fig. 2 .  The self-repair pathway of uracil (U). Units in M -1  s -1 . Copyright 2022, Elsevier Inc.
羟基和硫酸自由基与含氮碱基的主要反应产物有羟基化产物、阳离子自由基和氮中心自由基。羟基化产物会通过单电子转移和氢原子抽提反应修复阳离子自由基和氮中心自由基，这就是含氮碱基的自修复机制。我们通过量子化学计算的方法得到了嘌呤和嘧啶的自修复反应速率常数。
模拟含氮碱基的单独降解效率
Fig. 3.  Simulated individual removal of adenine (A) and uracil (U) under UV/PMS. Copyright 2022, Elsevier Inc.
通过模拟腺嘌呤和尿嘧啶在UV/PMS工艺下的单独去除效率，我们发现尿嘧啶的降解比腺嘌呤具有更显著的自抑制现象，并且尿嘧啶的自抑制效果随初始浓度的增加先增加后降低。
含氮碱基的联合降解动力学

Fig. 4 .  The reduction rate constants of (a) cationic radicals and (b) nitrogen-center radicals by free bases and their hydroxylation products. Copyright 2022, Elsevier Inc.

我们计算了含氮碱基的阳离子自由基和氮中心自由基被其他碱基及其羟基化衍生物还原的反应速率常数。阳离子自由基的还原速率常数与碱基及其羟基化衍生物的氧化电位之间线性相关。嘌呤的氧化能力大于嘧啶，羟基化衍生物的氧化能力大于其母体化合物。含氮碱基的羟基化衍生物对氮中心自由基的还原能力比母体化合物强。氮中心自由基的还原速率常数不仅与还原剂的氧化电位有关，还与反应空间位阻有关。

模拟含氮碱基的联合降解效率

Fig. 5 .  Simulated removal of (a) uracil and (b) adenine in the mixture system under UV/PMS. Copyright 2019, Elsevier Inc.

通过模拟腺嘌呤和尿嘧啶在UV/PMS工艺下的联合去除效率，我们发现高浓度的腺嘌呤抑制尿嘧啶降解，高浓度的尿嘧啶促进腺嘌呤降解。

小结
这项工作通过量子化学计算和化学反应模拟研究了含氮碱基的单独和联合降解机理和动力学。含氮碱基的羟基化产物可以分别通过氢抽提和单电子转移反应修复其氮中心自由基和阳离子自由基。含氮杂环污染物在UV/PMS工艺下的自抑制现象是深入理解水环境中污染物降解行为的一项重要发现。嘌呤阳离子自由基的还原速率常数与碱基及其羟基化产物的氧化电位呈线性关系，而氮中心自由基的修复速率常数变化很大。当腺嘌呤和尿嘧啶在UV/PMS工艺下混合降解时，高浓度的腺嘌呤抑制尿嘧啶降解，高浓度的尿嘧啶促进腺嘌呤降解。这些结果可为研究污染物的混合降解提供重要指导，促进有机污染物在真实水环境中的联合降解研究。
作者介绍
何茂霞 教授、博士生导师，山东大学环境研究院环境理论化学与实验研究所所长、山东大学生态环境大数据创新研究中心常务副主任、中共环境研究院教工党支部书记。主要从事含氧类挥发性不饱和有机化合物在对流层中的大气化学转化过程及其对二次有机气溶胶的形成机制研究、典型持久性有机污染物在水体中的降解转化行为及其毒性预测评估、新型有毒有机污染物在材料表面的催化降解转化机制及环境功能材料设计等。在《Water Research》、《Chemical Engineering Journal》、《Journal of Hazardous Materials》和《Environmental Science and Technology》等杂志上发表SCI论文100余篇。主持国家、省部级及校级等项目10余项。

金哲辉 加拿大阿尔伯塔大学助理教授。主要从事纳米约束下的气相/液相行为和流动、用于EOR和钻井以及压裂液的化学添加剂（表面活性剂/辅助表面活性剂）、吸附去除微污染物、二氧化碳储存和利用、二氧化碳响应“智能”材料：表面活性剂/聚合物、电池的液体电解质和界面设计等。
备注:Permissions for reuse of all Figures have been obtained from the original publisher. Copyright 2022, Elsevier Inc.
参考文献：M. Li, Z. An, Y. Huo, J. Jiang, Y. Zhou, H. Cao, Z. Jin, J. Xie, J. Zhan, M. He, Individual and combined degradation of N -heterocyclic compounds under sulfate radical-based advanced oxidation processes, Chemical Engineering Journal, 2022, 136316.
文章链接:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894722018137#s0030

版权：如无特殊注明，文章转载自网络，侵权请联系cnmhg168#163.com删除！文件均为网友上传，仅供研究和学习使用，务必24小时内删除。
相关推荐
热门信息