电荷辅助氢键的形成机制及环境效应研究进展

氢键(Hydrogen bond)作为分子间一种常见的相互作用力,在物理、化学和生物过程中起着重要作用,这种所谓的"弱相互作用"已经被广泛研究。因独特的键合方向性和成键特异性,该键合作用能够在分子聚集过程中提供最佳的控制,被应用于晶体材料合成工艺领域。尤其是离子或电荷辅助下形成的氢键,即电荷辅助氢键(Charge-assisted hydrogen bond,CAHB),其键合强度相当于共价键,引起了研究者的关注。CAHB是指相对于普通的氢键作用,形成氢键作用的两个物质之间存在电荷分布,能够直接形成CAHB。实际上,在给定的共振结构中,电荷的分布是间接导致相对较强的CAHB形成的主要原因。此外,两性离子组分与携带相反电荷的载体之间伴随着库仑相互作用,由于存在两个能量等价的价键共振形式,进而形成具有更强结合作用的CAHB。其中,与质子供体原子上正电荷之间形成(+) CAHB,与质子接受基团上的负电荷之间形成(-) CAHB。研究发现CAHB作为一类低阻氢键,或类似于阳离子桥的盐桥,普遍存在于环境过程中。其键强比普通的氢键强得多,具有与共价键相当的特性,该特性有助于环境中许多介质自组装过程的发生。CAHB作用下形成的超级大分子结构就是天然有机质在环境中的主要存在形式。吸附是常用于去除水环境中可解离的两性有机污染物的技术手段。研究发现,碳基吸附剂和离子型化合物之间的静电相互作用可能是去除诸多离子型化合物的主要吸附机制。然而,一些其他研究已经注意到,单独的静电相互作用不能解释pH值对发生解离后的离子型污染物吸附的影响,这表明存在额外的物理或化学相互作用机制需要进一步研究。CAHB作为负电荷吸附质和吸附剂之间强的作用力,能较好地解释吸附实验中出现的一些异常现象。本文综述了CAHB在环境中的成键机理以及产生的环境效应。结合部分实验数据,着重论述了CAHB作为天然有机质(包括腐殖质和溶解性有机质)共轭形成超级大分子的重要作用机理。最后,对CAHB参与的复杂水质条件下的环境行为及其受天然有机质的影响,以及碳基吸附剂去除离子型有机污染物的选择和制备方面的研究提出了展望。

还原氧化石墨烯高效吸附双酚F的机理研究

本研究关注了还原氧化石墨烯(RGO)对内分泌干扰物双酚F(BPF)的高效吸附机理。与同类碳基吸附剂材料GP和GO相比,RGO显示出作为一种高效吸附剂用于去除废水中BPF的巨大潜力。Freundlich模型能够较好地拟合BPF在RGO表面的吸附等温线,这说明BPF在RGO表面可能发生了多层吸附。热力学研究结果表明,BPF在RGO表面吸附是一个自发的吸热过程。溶液pH值从2.0增加到11.0,RGO对BPF的吸附最开始缓慢增加,pH值超过BPF的pKa1后,吸附容量增加到最大值。BPF发生二次解离后,由于静电排斥作用较强,导致其与RGO的结合作用减弱,从而使吸附效率急剧减小。RGO高效吸附BPF的主要机理为π-π相互作用、疏水作用和静电辅助氢键作用,由于溶液pH值不同,导致各种作用的强弱不同,从而使RGO的吸附能力也存在显著差异。本研究为RGO这类石墨烯碳基吸附剂用于去除水环境中具有可解离性的内分泌干扰物提供了理论依据。

电晕放电等离子体对头孢唑林钠的降解

为探究电晕放电等离子体对头孢唑林钠(cefazolin sodium,CFZ)的降解过程及产物,考察了不同因素对CFZ降解的影响,并结合光谱学及质谱分析推断出了CFZ降解过程中的部分中间产物及降解途径.结果表明,电晕放电等离子对CFZ有着良好的降解效能,且降解过程基本符合一级反应动力学,CFZ初始浓度、pH及载气条件均对反应存在影响.光谱学表明CFA被矿化NO3^-、SO4^2-和CO3^2-等小分子无机离子.对CFZ的降解过程中降解副产物分析可知,电晕放电过程中CFZ主要有3种降解途径分别是噻二唑基团脱硫降解、头孢母核发生分子间内脂化和四氮唑开环矿化.

垂直潜流人工湿地对农村污水的净化及微生物群落

为解决农村生活污水直接排入自然环境所造成的水污染问题,提升河流污染防控水平和脆弱河流水质稳定性,根据农村分散式污水特征,综合考虑经济、高效和景观因素,选用悬浮球、沸石、陶粒、煤矸石、碎石和铁碳6种湿地填料,搭配美人蕉、吉祥草、鸢尾、再力花4种植物构建多级垂直潜流人工湿地系统。以该湿地系统为研究对象,研究其在室外动态条件下对污水中COD、NH_(4)^(+)-N、TP等污染物质的去除效果,并利用高通量测序手段探讨了湿地系统水流沿程上的各级单元微生物群落结构。结果表明:在0.2 m^(3)/(m^(2)·d)进水负荷下,湿地系统对水中COD、NH_(4)^(+)-N和TP均有较好的净化效果,去除率分别为84.38%,65.78%,74.67%,出水浓度稳定满足DB 51/2626—2019《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》二级标准。微生物测序显示各单元微生物群落结构在水流沿程上差异性并不显著,但在相对丰度上具有一定差异性,门分类水平上以变形菌门(Proleobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteria)为主,纲水平上以酸杆菌纲(Acidobacteria-6)和α-变形菌纲(Alphaproteobacteri)占优势,属水平上以硝化螺旋菌属(Nitrospira)、节杆菌属(Arthrobacter)、红游动菌属(Rhodoplanes)、不动杆菌属(Acinetobacter)为主。这些优势菌属对湿地系统降解COD、NH_(4)^(+)-N、TP等污染物起着重要作用。

移动床生物膜技术处理校园污水过程中DOM的光谱特征

研究了厌氧-缺氧-好氧移动床生物膜(MBBR)工艺对校园污水的处理效果,采用三维荧光光谱和紫外光谱分析了污水处理过程中溶解性有机物(DOM)的降解特性及其组成特征。结果表明,MBBR对校园污水具有较好的去除效果,COD,NH3-N,TN,TP和DOC的去除率分别达到83.0%,70.9%,52.4%,59.2%和62.2%。三维荧光光谱显示有3个明显的特征荧光峰,其中心位置分别在Ex/Em=230nm/325nm(T峰)、Ex/Em=280nm/350nm(S峰)、Ex/Em=350nm/440nm(R峰)附近,污水中荧光类溶解性有机物主要包括类色氨酸(Trp)、类溶解性微生物代谢产物(SMP)和类腐殖酸(HA)。DOM特征荧光峰的中心位置及荧光强度随处理流程而变,说明污水中DOM的组成和相对含量经MBBR处理后发生变化。其中,类色氨酸、类溶解性微生物代谢产物荧光特征峰近乎消失,表明MBBR对这两类有机物质去除效果显著;溶解性微生物代谢产物荧光强度在厌氧池、缺氧池、好氧池分别为进水的37.1%,20.3%,13.1%,表明MBBR的各生化阶段,微生物均能很好的降解SMP;但类腐殖酸(R峰)荧光强度降低较小,微生物对类腐殖酸总的去除效果不明显。在MBBR工艺流程中,DOM腐殖化指数HIX、荧光指数FI、生物源指数BIX均逐渐增大,微生物对有机污染物降解起到了关键作用。其中,HIX值在缺氧池、好氧池、出水中增大到4以上,经MBBR处理后,DOM腐殖化程度和成熟度逐渐增加;缺氧池、好氧池及出水的荧光FI值接近1.9(分别为1.899,1.881,1.887),说明其中类腐殖质有机物主要源于微生物代谢活动;缺氧池、好氧池及出水中DOM的BIX值约为1.0(依次为0.985,1.018,0.979),说明缺氧池、好氧池及出水中DOM也主要源于微生物代谢或死亡。污水的紫外特征值E250/E365随工艺流程逐渐减小、SUVA254不断增大,表明经MBBR处理后,污水中DOM类型和含量均发生了较大变化,有机物的共轭不饱和双键或芳香性基团增多,聚合度、腐殖化程度、分子质量增大。

组合式人工湿地对分散型生活污水净化效果及其微生物群落结构特征

为了解组合式人工湿地对分散型生活污水的净化效果及微生物群落结构多样性的变化规律,以某生活污水处理厂细格栅出水为研究对象,研究人工湿地对生活污水中COD、NH3-N、TN和TP的去除效果,采用高通量测序的方法分析填料和植物根系微生物的多样性变化规律.结果表明,组合式人工湿地在0.15-0.35 m3·(m2·d)^-1的水力负荷下对污染物的去除效果最好,对COD、NH3-N、TN和TP的平均去除率为82.94%、65.69%、56.57%和79.98%,湿地出水稳定达标.此次分析包括门、纲、属水平,其中在门分类水平上以变形菌门、酸杆菌门、绿弯菌门、厚壁菌门、放线菌门为共有的优势菌门,在纲为分类水平上以γ-变形菌纲、酸杆菌纲、α-变形杆菌纲和芽孢杆菌纲为优势菌群,在属为分类水平上以硝化螺旋菌属、节杆菌属、红游动菌属和假单胞菌属为优势菌属.其中,湿地填料和植物根系微生物群落多样性与污水性质相关性分析表明,其微生物多样性与污水温度、pH和溶解氧呈现显著负相关,这是影响组合式人工湿地填料和植物根系微生物群落发生变化的重要因子.