类Fenton反应中羟基自由基生成的化学发光动力学研究及其在灭菌和染料降解中的应用
羟基自由基(·OH)氧化性极强，可快速与生物大分子、有机物和无机物发生氧化反应，因此被广泛应用于污水处理、化学发光分析、生物大分子修饰等领域。传统芬顿/类芬顿反应（Fe2+-H2O2、Co2+-H2O2等）由于还原态金属离子与过氧化氢反应的反应速率常数远远大于反应体系中氧化态金属离子复还原为还原态金属离子的反应速率常数，导致羟基自由基仅在反应开始后短时间内产生。羟基自由基在水溶液中寿命较短（t1/2=10-9s），部分羟基自由基还没有扩散到反应物表面就发生湮灭，这就造成了羟基自由基利用率较低。已开发出的光芬顿法、电芬顿法、超声波分解法等手段可以实现羟基自由基在水溶液中的连续产生，但这些方法都需在特殊条件下进行，限制了它们的应用范围。本论文基于传统Co(Ⅱ)-H2O2类芬顿体系，通过向反应体系中引入小分子配体三羟甲基氨基甲烷(Tris)，开发了新型Tris-Co(Ⅱ)络合物-H2O2类芬顿体系。该体系中Tris-Co(Ⅱ)络合物的形成可以降低钴离子的氧化还原电位，加速类芬顿体系中Co(Ⅲ)向Co(Ⅱ)的转化，进而实现羟基自由基在该体系中的连续产生。此外，利用该体系连续产生羟基自由基的性质对其在化学发光、灭菌及染料降解方面的应用进行了探讨，主要研究内容如下: (1)合成了一系列小分子配体-Co(Ⅱ)络合物并使用Job法确定了每种金属络合物的最佳络合比。利用鲁米诺可以与氧化性自由基发生反应发光的性质，筛选出具有最长化学发光时长的luminol-Tris-Co(Ⅱ)络合物-H2O2体系。Tris-Co(Ⅱ)络合物的结构通过红外光谱与X-射线光电子能谱进行表征。结果表明，Tris分子中的N、O原子可以与Co(Ⅱ)发生键合，形成的金属络合物中心钴离子价态为+2价。通过对Tris-Co(Ⅱ)络合物溶液的循环伏安法测定，发现Tris的存在极大降低了Tris-Co(Ⅲ)/Tris-Co(Ⅱ)的氧化还原电位，加速了反应体系中Tris-Co(Ⅲ)向Tris-Co(Ⅱ)的转变。此外，利用捕获剂（SOD、t-BuOH）、电子顺磁共振波谱(DMPO、BMPO)、荧光光谱（香豆素-3-羧酸）等手段对反应体系中活性氧种类进行探究，发现反应体系中同时存在羟基自由基和超氧阴离子自由基，证明了反应体系中羟基自由基的连续产生，推导出反应机理。 (2)基于Tris-Co(Ⅱ)络合物-H2O2体系连续产生羟基自由基的特性，构建了以鲁米诺为发光分子的水相化学发光光源。使用羟丙甲基纤维素（HPMC）与聚乙烯吡咯烷酮(PVP)两种亲水性载体材料分别对鲁米诺与H2O2进行包裹，实现了鲁米诺与H2O2在水溶液环境中的缓释，有效的延长了luminol-Tris-Co(Ⅱ)络合物-H2O2体系的化学发光时长（13小时）。此外，向长时间发光体系中加入吖啶黄以及曙红Y荧光分子，利用化学发光共振能量转移(CRET)效应实现了多色化学发光光源的制备。 (3)基于Tris-Co(Ⅱ)-络合物-H2O2体系实现了水溶液中大肠杆菌的高效杀灭。通过对Tris-Co(Ⅱ)络合物、大肠杆菌以及它们混合物的zeta电位表征，发现Tris-Co(Ⅱ)络合物可以通过静电作用结合到大肠杆菌表面，使得灭菌体系中羟基自由基可以在大肠杆菌表面连续原位生成。经70分钟反应，Tris-Co(Ⅱ)络合物-H2O2体系可以将大肠杆菌在水溶液中的浓度降低3.4个对数单位。此外，使用扫描电子显微镜(SEM)与激光共聚焦显微镜(CLSM)对灭菌过程中大肠杆菌的形态及存活率进行可视化表征，进一步证明了大肠杆菌在Tris-Co(Ⅱ)络合物-H2O2体系中的高效杀灭。 (4)阴离子偶氮染料日落黄(SY)在Tris-Co(Ⅱ)络合物-H2O2体系中的高效降解。日落黄因其本身带负电的性质，与Tris-Co(Ⅱ)络合物通过静电作用结合，这使得Tris-Co(Ⅱ)络合物表面连续生成的羟基自由基可以快速与日落黄进行接触并发生反应，提高了日落黄的降解效率。结果表明，SY-Tris-Co(Ⅱ)络合物-H2O2体系反应50分钟后日落黄脱色98％。此外，对反应液总有机碳量(TOC)进行测定时发现日落黄在Tris-Co(Ⅱ)络合物-H2O2体系中降解50分钟后，矿化效率可达59.4％。对实验过程中反应液进行LC-MS测试与紫外吸收光谱测试，探究了反应过程中间体的类型并推断了可能的反应过程。此外，对另两种阴离子偶氮染料（活性红，刚果红）也使用Tris-Co(Ⅱ)络合物-H2O2体系进行降解，结果表明该体系对阴离子偶氮染料均具有良好的降解效果，证明了该方法的通用性。
类芬顿反应;羟基自由基;三羟甲基氨基甲烷;钴离子;化学发光动力学;灭菌效果;降解机理
北京化工大学
博士
化学
吕超
2019
中文
TQ203
2019-09-26（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）