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锰催化臭氧氧化对水中碘苯与对甲苯磺酸钠的降解效能与机制探究

一、引言

1.1研究背景

随着工业化进程的加速，水污染问题日益严重，已对人类的生存环境造成了极大危害，解决水污染问题迫在眉睫。污染水体中的有机污染物具有种类繁多、危害大的特点，其中部分有机污染物不仅难以被生物降解，还含有有毒有害物质。这些难降解有机物一旦排放到天然水体中，很难自然降解，可能引发水体富营养化，导致水生生物大量死亡，危及生物多样性。并且，被污染的生物会通过生物链对人类健康产生影响。

目前，水中污染物已多达2千多种，主要包括有机化学物、碳化物、金属物等。在我国，仅有不到11%的人能够饮用符合卫生标准的水，而高达65%的人饮用的水存在浑浊、苦碱、含氟、含砷、受工业污染或传染病污染等问题。全世界每年约有4200多亿立方米的污水排入江河湖海，污染了5.5万亿立方米的淡水，这相当于全球径流总量的14%以上。美国40%的水资源流域被加工食品废料、金属、肥料和杀虫剂污染；欧洲55条河流中仅有5条水质勉强能用；所有流经亚洲城市的河流均被污染。

难降解有机物通常指在自然条件下难于被生物作用发生递降分解的有机化学物质，如多环芳烃、卤代烃、杂环类化合物、有机氰化物、有机磷农药、表面活性剂、有机染料等。这些物质毒性大、成份复杂、化学耗氧量高，一般微生物对其几乎没有降解效果。若不加治理就向环境排放，必然会严重污染环境，威胁人类健康。比如美国19个州约6500海里长的河流曾遭受有毒有机物的严重影响；我国某河流曾检测出有毒有机物200多种，有的地区甚至出现了鱼虾绝迹、农田荒芜、人民健康受损的现象。

传统的难降解有机物处理方法，如物理法、生物法和化学法等，虽在一定程度上能处理部分污染物，但都存在各自的局限性。物理法往往只是将污染物进行转移，并未真正消除；生物法对于难降解有机物的处理效率较低，且容易受到水质、水量变化的影响；化学法虽能有效降解污染物，但可能会产生二次污染，且处理成本较高。因此，开发新的高效降解技术迫在眉睫。

锰催化臭氧氧化技术作为一种新型的高级氧化技术，近年来受到了广泛关注。臭氧具有强氧化性，能够氧化分解多种有机物，但单独使用臭氧时，其氧化选择性较高，对某些难降解有机物的处理效果并不理想。而锰作为催化剂，具有价格低廉、来源广泛、催化活性高等优点，能够促进臭氧分解产生更多的活性氧自由基，如羟基自由基（?OH）。这些活性氧自由基具有极强的氧化能力，几乎可以无选择性地与水中的难降解有机物发生反应，将其降解为二氧化碳、水和小分子无机物，从而提高难降解有机物的去除效率。本研究选择碘苯和对甲苯磺酸钠这两种难降解有机物作为研究对象，碘苯常用于医药、农药及染料中间体等领域，随着相关行业的发展，其生产和使用过程中产生的含碘苯废水对环境造成了潜在威胁；对甲苯磺酸钠在有机合成工业中应用广泛，尤其是在医药合成中作为重要中间体，其排放的废水也给污水处理带来了挑战。通过探究锰催化臭氧氧化对这两种有机物的处理效果，旨在为锰催化臭氧氧化技术在难降解有机物治理方面的应用提供一定的理论和实践支持，为解决水污染问题提供新的思路和方法。

1.2研究目的与意义

本研究旨在深入探究锰催化臭氧氧化技术对碘苯和对甲苯磺酸钠这两种难降解有机物的降解效果。碘苯作为医药、农药及染料中间体生产过程中常见的排放物，其化学结构稳定，常规处理方法难以将其有效去除；对甲苯磺酸钠广泛应用于有机合成工业，尤其是医药合成领域，其在水中的残留会对水体生态系统和人类健康造成潜在威胁。通过研究锰催化臭氧氧化对这两种有机物的降解过程，能够明确该技术在处理特定难降解有机物方面的实际效能，为后续的应用提供直接的数据支持。

此外，本研究还将系统地探究锰催化剂浓度、臭氧气量、初始pH值等因素对降解效果的影响。锰催化剂浓度的变化可能会改变催化反应的速率和活性位点数量；臭氧气量的多少直接关系到氧化剂的投入量，影响氧化反应的程度；初始pH值则会影响溶液中臭氧的分解途径以及有机物的存在形态，进而对降解效果产生作用。了解这些因素的影响机制，有助于深入认识锰催化臭氧氧化技术的反应原理，为优化反应条件提供理论依据。

在明确各因素影响的基础上，本研究将进一步优化实验条件，提高处理效率。通过合理调整锰催化剂浓度、臭氧气量和初始pH值等参数，寻找最佳的反应条件组合，使锰催化臭氧氧化技术能够以更高的效率降解碘苯和对甲苯磺酸钠。这不仅可以降低处理成本，提高资源利用率，还能减少二次污染的产生，具有重要的实际应用价值。

从更宏观的角度来看，本研究对水污染治理技术的发展具有重要意义。随着工业化进程的加速，水中难降解有机物的种类和数量不断增加，传统的水污染治理技术面临着严峻的挑战。锰催化臭氧氧化技术作为一种新型的高级氧化技