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特殊植物类群空气凤梨对大气污染物甲醛的净化

李俊霖, 李鹏, 王恒蓉, 郑桂灵. 特殊植物类群空气凤梨对大气污染物甲醛的净化[J]. 环境工程学报, 2013, 7(4): 1451-1458.
引用本文: 李俊霖, 李鹏, 王恒蓉, 郑桂灵. 特殊植物类群空气凤梨对大气污染物甲醛的净化[J]. 环境工程学报, 2013, 7(4): 1451-1458.
Li Junlin, Li Peng, Wang Hengrong, Zheng Guiling. Purification of air pollutant—formaldehyde with special plant group—epiphytic Tillandsia[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2013, 7(4): 1451-1458.
Citation: Li Junlin, Li Peng, Wang Hengrong, Zheng Guiling. Purification of air pollutant—formaldehyde with special plant group—epiphytic Tillandsia[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2013, 7(4): 1451-1458.

特殊植物类群空气凤梨对大气污染物甲醛的净化

  • 基金项目:

    国家自然科学基金资助项目(41005084)

  • 中图分类号: X701

Purification of air pollutant—formaldehyde with special plant group—epiphytic Tillandsia

  • Fund Project:
  • 摘要: 空气凤梨是一类生长在空气中、不需要土壤、生长所需的水分和营养可以全部来自空气的特殊植物。它们常被用来指示与修复大气重金属污染物和有机污染物,但尚未应用于甲醛净化研究。为了探讨空气凤梨对甲醛的净化效果,我们以2种空气凤梨为实验材料,吊兰为对照材料,通过密封箱内甲醛熏蒸及在封闭的实际环境中进行了实验。结果表明,松萝铁兰、硬叶空凤和吊兰3种植物在甲醛胁迫下,外部形态和生理指标有一定的变化,但未受到明显的伤害。更重要的是,3种植物对甲醛均有相当强的净化作用。6~8 h后,2种空气凤梨对甲醛的净化可达到与吊兰相近的效果。而在2 h内,空气凤梨净化甲醛的速度远远大于吊兰,这可能是与空气凤梨叶片表面覆盖有亲水性的鳞片层有关。上述结果表明,空气凤梨是比吊兰更快速有效地净化甲醛的植物类群,可选择应用于室内甲醛污染去除。
  • 饮用水安全是一个很严重的全球性问题,关系到人类的健康。随着水污染的严重和人类的增加,大量的污染物在水源中被检测出[1-2]。传统的水处理工艺(混凝、沉淀和过滤)对微污染物的去除不是很有效,除非添加其他处理工艺[3-5]。预氧化工艺能够有效去除微污染物,在饮用水处理厂中被广泛采用[6-7]

    在水处理过程中,常用的预氧化剂有高锰酸钾(KMnO4)和过氧化氢(H2O2[8-10]。由于KMnO4和H2O2具有各种缺点,限制了它们在饮用水处理过程中的使用。例如,KMnO4能够引起浊度和颜色的增加[11-12]。由于需要严格的酸性条件、自由基的产率及利用率低以及H2O2不够稳定等原因,所以限制了芬顿氧化的使用[13-14]。相比KMnO4和H2O2,单过硫酸盐(PMS)具有无色、稳定、溶解性高等特性[15-16],因此,PMS也能够被应用在预氧化过程中。

    氯离子(Cl)是天然水体中广泛存在的卤素离子[17]。PMS不仅能够氧化降解有机物,同时也能氧化Cl为有效氯(HOCl/OCl[18]。HOCl/OCl会和有机物发生化学反应生成消毒副产物(DBPs)[19-20]。DBPs具有致畸、致癌和致突变的特性[21-23]。长期饮用含有DBPs的饮用水,会使癌症的患病概率显著上升。如何减少PMS预氧化体系中DBPs的生成值得研究。

    氨基酸(AAs)广泛的存在于天然水体中,在天然水体中的浓度约为50—1000 µg·L−1,占总溶解性有机氮和溶解性有机碳的比例约为35%和2.6%,同时也是DBPs的重要前体物[24-25]。酪氨酸(Tyr)作为一种天然AA,广泛存在于多肽、蛋白质和藻类中[26]。此外,PMS已经成功的应用在部分小水厂和泳池的消毒过程中。因此,Tyr被选定为DBPs的前体物,研究PMS预氧化体系中DBPs的生成特性。

    本论文以Tyr和实际水样为研究对象,研究PMS预氧化体系中,预氧化时间、PMS浓度、Cl浓度、pH对DBPs生成以及毒性的影响,为DBPs的合理控制提供理论依据。

    三氯甲烷(TCM)、水合三氯乙醛(TCAL)、二氯乙腈(DCAN)、三氯乙腈(TCAN)、二氯乙酰胺(DCAM)和三氯乙酰胺(TCAM)的标准样品购自CanSyn公司(多伦多,加拿大)。氯化钠、PMS(KHSO5·0.5KHSO4·0.5K2SO4,≥ 42% KHSO5)、Tyr等所有试验用到的化学药剂均购自阿拉丁试剂有限公司(上海,中国)。实际水样取自某饮用水水源地,超纯水由Millipore Milli-Q Gradient水净化系统(比勒利卡,美国)制备。

    预氧化试验:研究预氧化时间[t = 0.5、1、1.5、2、2.5 h,DOC(Tyr溶液)= 5.4 mg·L−1,DOC(实际水样)= 2.5 mg·L−1,PMS = 200 µmol·L−1,Cl(Tyr溶液)= 1 mmol·L−1,Cl(实际水样)= 2.9 mmol·L−1,pH = 7]、PMS浓度[PMS = 100、200、400、600、800 µmol·L−1,DOC(Tyr溶液)= 5.4 mg·L−1,DOC(实际水样)= 2.5 mg·L−1t = 2 h,Cl(Tyr溶液)= 1 mmol·L−1,Cl(实际水样)= 2.9 mmol·L−1,pH = 7]、Cl浓度[Cl(Tyr溶液)= 0.5、1、1.5、2、2.5 mmol·L−1,DOC(Tyr溶液)= 5.4 mg·L−1t = 2 h,PMS = 200 µmol·L−1,pH = 7]和pH [pH = 5、6、7、8、9,DOC(Tyr溶液)= 5.4 mg·L−1,DOC(实际水样)= 2.5 mg·L−1t = 2 h,PMS = 200 µmol·L−1,Cl(Tyr溶液)= 1 mmol·L−1,Cl(实际水样)= 2.9 mmol·L−1]对DBPs生成的影响,反应温度为25 ℃。所有实验样品均做平行样,误差棒代表3组数据的标准偏差,相对标准偏差低于20%。

    预氧化试验结束后,添加抗坏血酸(浓度为余氯的2倍)终止反应[24]。取10 mL反应液并用0.22 μm滤膜过滤,然后注入到25 mL的透明玻璃瓶中并加入2 mL甲基叔丁基醚进行液液萃取,将上层液体转移至气相色谱分析专用的进样瓶中进行检测。

    DBPs使用气相色谱(GC/ECD,Agilent 7890A)检测,色谱柱为HP-5毛细管柱(30 m×0.32 mm×0.25 µm)。GC/ECD运行参数:载气为氮气,载气控制方式采用压力控制,压力为8.4 psi,总流量为20 mL·min−1,柱流量为2 mL·min−1。进样口温度为200 ℃,进样体积为1 μL。检测器参数:温度300 ℃,尾吹气流量24 mL·min−1。GC的具体升温程序为:初始温度是34 ℃,保持6 min。然后以14 ℃·min−1升至70 ℃,保持0。最后以50 ℃·min−1升至200 ℃,保持2 min。后运行210 ℃,保持3 min。综合毒性指标采用细胞毒性指数(CTI)进行评估[19, 27],具体计算方法如式(1)所示,各种DBP的细胞毒性见表1所示。

    表 1  DBPs的细胞毒性
    Table 1.  The cytotoxicity of DBPs
    DBP种类 Type of DBPTCMTCALDCANTCANDCAMTCAM
    细胞毒性LC50x/(mol·L−11048601756250521488
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    CTI=CxLC50x (1)

    式中,Cx为DBP的浓度(mol·L−1);LC50x为DBP的细胞毒性(mol·L−1).

    预氧化时间对DBPs生成的影响见图1。在PMS预氧化过程中,TCM、TCAL、DCAM和TCAM均被检测到,但是DCAN和TCAN未能检测到。PMS的氧化还原电位为1.75 V [28],具有一定的氧化性,因此可氧化Cl为HOCl/OCl− [29],HOCl/OCl和有机物发生化学反应生成DBPs [19]

    图 1  预氧化时间对DBPs(a. TCM,b. TCAL,c. DCAM,d. TCAM)生成的影响
    Figure 1.  Effects of pre-oxidation time on the formation of DBPs (a. TCM, b. TCAL, c. DCAM, d. TCAM)
    [预氧化时间 = 0.5、1、1.5、2、2.5 h,DOC(Tyr溶液)= 5.4 mg·L−1,DOC(实际水样)= 2.5 mg·L−1,PMS = 200 µmol·L−1,Cl(Tyr溶液)= 1 mmol·L−1,Cl(实际水样)= 2.9 mmol·L−1,pH = 7,DCAN和TCAN未检测到]
    Condition: The pre-oxidation time = 0.5, 1, 1.5, 2, 2.5 h, DOC (Tyr solution) = 5.4 mg·L−1, DOC (natural water) = 2.5 mg·L−1, PMS = 200 µmol·L−1, Cl (Tyr solution) = 1 mmol·L−1, Cl (natural water) = 2.9 mmol·L−1, pH = 7. DCAN and TCAN were not detected during the pre-oxidation process.

    随着预氧化时间的增加,Tyr溶液和实际水样中TCM、TCAL、DCAM和TCAM的浓度增加。预氧化时间从0.5 h增加至2.5 h时,Tyr溶液中TCM、TCAL、DCAM和TCAM的浓度分别从5.0、1.0、1.0、0.25 nmol·L−1增加至18.1、5.0、4.3、1.55 nmol·L−1。随着预氧化时间的增加,HOCl/OCl浓度增加[30],HOCl/OCl会和有机物发生化学反应生成DBPs。因此,随着预氧化时间的增加,DBPs浓度增加[27]

    PMS浓度对DBPs生成的影响如图2所示。随着预氧化剂PMS的增加,Tyr溶液和实际水样中TCM、TCAL、DCAM、TCAM的浓度增加。PMS从100 µmol·L−1增加至800 µmol·L−1时,Tyr溶液中TCM、TCAL、DCAM、TCAM的浓度分别从3.8、0.9、0、0.5 nmol·L−1增加至83.9、15.8、4.5、0.9 nmol·L−1。研究表明,随着PMS浓度的增加,HOCl/OCl浓度增加[30]。在HOCl/OCl存在时,TCM是一个稳定的产物且不会发生水解[31]。DCAN和TCAN不稳定能够转化为DCAM和TCAM [32],且随着HOCl/OCl浓度的增加,DCAN和TCAN的水解速度加快[33]。因此,随着PMS浓度的增加,TCM、TCAL、DCAM和TCAM的浓度增加。

    图 2  PMS浓度对DBPs(a. TCM,b. TCAL,c. DCAN,d. TCAN,e. DCAM,f. TCAM)生成的影响
    Figure 2.  Effects of PMS concentration on the formation of DBPs
    [DOC(Tyr溶液)= 5.4 mg·L−1,DOC(实际水样)= 2.5 mg·L−1,PMS = 100、200、400、600、800 µmol·L−1,预氧化时间 = 2 h,Cl(Tyr溶液)= 1 mmol·L−1,Cl(实际水样)= 2.9 mmol·L−1,pH = 7]
    (a. TCM, b. TCAL, c. DCAN, d. TCAN, e. DCAM, f. TCAM). Condition: DOC (Tyr solution) = 5.4 mg·L−1, DOC (natural water) = 2.5 mg·L−1, PMS = 100, 200, 400, 600, 800 µmol·L−1, the pre-oxidation time = 2 h, Cl (Tyr solution) = 1 mmol·L−1, Cl (natural water) = 2.9 mmol·L−1, pH = 7.

    随着PMS浓度的增加,Tyr溶液和实际水样中DCAN和TCAN的浓度先增加后降低。PMS浓度从100 µmol·L−1增加至800 µmol·L−1时,Tyr溶液中DCAN和TCAN的浓度先分别增加至91.1 nmol·L−1和0.097 nmol·L−1,然后降低至29.2 nmol·L−1和0。研究表明,DCAN和TCAN不稳定且能够发生水解[32],随着HOCl/OCl浓度的增加,DCAN和TCAN的水解速度加快[33]。因此,随着PMS浓度的增加,DCAN和TCAN的浓度先增加后降低。

    Cl浓度对DBPs生成的影响如图3所示。随着Cl浓度的增加,Tyr溶液中TCM、TCAL、DCAM和TCAM的浓度增加。但是DCAN和TCAN未检测到。随着Cl浓度的增加,Tyr溶液中TCM、TCAL、DCAM、TCAM的浓度分别从12.2、0.6、0、0.55 nmol·L−1增加至15.3、8.0、4.1、0.9 nmol·L−1

    图 3  Cl-浓度对DBPs(a. TCM,b. TCAL,c. DCAM,d. TCAM)生成的影响
    Figure 3.  Effects of Cl- concentration on the formation of DBPs (a. TCM, b. TCAL, c. DCAM, d. TCAM)
    [DOC(Tyr溶液)= 5.4 mg·L−1,Cl(Tyr溶液)= 0.5、1、1.5、2、2.5 mmol·L−1,预氧化时间 = 2 h,PMS = 200 µmol·L−1,pH = 7,DCAN和TCAN未检测到]
    Condition: DOC (Tyr solution) = 5.4 mg·L−1, Cl (Tyr solution) = 0.5, 1, 1.5, 2, 2.5 mmol·L−1, the pre-oxidation time = 2 h, PMS = 200 µmol·L−1, pH = 7. DCAN and TCAN were not detected during the pre-oxidation process.

    研究表明随着Cl浓度的增加,HOCl/OCl浓度增加[30]。HOCl/OCl会和有机物发生化学反应生成DBPs。因此,随着Cl浓度的增加,TCM、TCAL、DCAM和TCAM的浓度增加。

    pH对DBPs生成的影响如图4所示。随着pH的增加,Tyr溶液和实际水样中DBPs的浓度降低。pH从5增加到9时,Tyr溶液中TCM、TCAL、DCAN、TCAN、DCAM、TCAM的浓度分别从413.6、2448.1、980.1、1.2、9.9、1.5 nmol·L−1降低至2.1、1.2、0、0、0.8、0.5 nmol·L−1

    图 4  pH对DBPs(a. TCM,b. TCAL,c. DCAN,d. TCAN,e. DCAM,f. TCAM)生成的影响
    Figure 4.  Effects of pH on the formation of DBPs (a. TCM, b. TCAL, c. DCAN, d. TCAN, e. DCAM, f: TCAM)
    [DOC(Tyr溶液)= 5.4 mg·L−1,DOC(实际水样)= 2.5 mg·L−1,pH = 5、6、7、8、9,预氧化时间 = 2 h,PMS = 200 µmol·L−1,Cl(Tyr溶液)= 1 mmol·L−1,Cl(实际水样)= 2.9 mmol·L−1]
    Condition: DOC (Tyr solution) = 5.4 mg·L−1, DOC (natural water) = 2.5 mg·L−1, pH = 5, 6, 7, 8, 9, the pre-oxidation time = 2 h, PMS =200 µmol·L−1, Cl (Tyr solution) = 1 mmol·L−1, Cl (natural water) = 2.9 mmol·L−1.

    pH对DBPs浓度的影响可以归结于以下几个原因:(1)pH影响PMS的分解及形态,PMS在低pH情况下降解速率很慢,随着pH的增加,PMS的降解速率增加。当pH为9.5时,PMS的含量只有原来的44% [34],因此,随着pH的增加,PMS浓度降低;(2)随着pH的增加,HOCl/OCl浓度降低[30];(3)随着pH的增加,TCAL的水解速率增加,因此随着pH的增加,TCAL的浓度降低[35];(4)HANs的稳定性受pH的影响,且水解速率随着pH的增加而增加[33, 36]。因此,随着pH的增加,DBPs的浓度降低。

    预氧化时间、PMS浓度、Cl浓度和pH对CTI的影响如图5所示。随着预氧化时间的增加,Tyr溶液和实际水样中细胞毒性增加。预氧化时间从0.5 h增加至2.5 h时,Tyr溶液中细胞毒性从2.34×103增加至1.03×104。随着PMS浓度的增加,Tyr溶液和实际水样中细胞毒性先增加后降低。PMS从100 µmol·L−1增加至800 µmol·L−1时,Tyr溶液中细胞毒性先增加至1.61×106,然后降低至5.37×105。随着Cl浓度的增加,Tyr溶液细胞毒性增加。Cl从0.5 mmol·L−1增加至2.5 mmol·L−1时,Tyr溶液中细胞毒性从2.79×103增加至1.20×104。随着pH的增加,Tyr溶液和实际水样中细胞毒性降低。pH从5增加至9时,Tyr溶液中细胞毒性从1.93×107降低至2.02×103

    图 5  预氧化时间对CTI的影响
    Figure 5.  Effects of pre-oxidation time on CTI
    [a. DOC(Tyr溶液)= 5.4 mg·L−1,DOC(实际水样)= 2.5 mg·L−1,预氧化时间 = 0.5、1、1.5、2、2.5 h,PMS = 200 µmol·L−1,Cl(Tyr溶液)= 1 mmol·L−1,Cl(实际水样)= 2.9 mmol·L−1,pH = 7]、PMS浓度[b. DOC(Tyr溶液)= 5.4 mg·L−1,DOC(实际水样)= 2.5 mg·L−1,PMS = 100、200、400、600、800 µmol·L−1,预氧化时间 = 2 h,Cl(Tyr溶液)= 1 mmol·L−1,Cl(实际水样)= 2.9 mmol·L−1,pH = 7]、Cl浓度[c. DOC(Tyr溶液)= 5.4 mg·L−1,Cl(Tyr溶液)= 0.5、1、1.5、2、2.5 mmol·L−1,预氧化时间 = 2 h,PMS = 200 µmol·L−1,pH = 7]和pH [d. DOC(Tyr溶液)= 5.4 mg·L−1,DOC(实际水样)= 2.5 mg·L−1,pH = 5、6、7、8、9,预氧化时间 = 2 h,PMS = 200 µmol·L−1, Cl(Tyr溶液)= 1 mmol·L−1,Cl(实际水样)= 2.9 mmol·L−1]
    [a. DOC (Tyr solution) = 5.4 mg·L−1, DOC (natural water) = 2.5 mg·L−1, the pre-oxidation time = 0.5, 1, 1.5, 2, 2.5 h, PMS = 200 µmol·L−1, Cl (Tyr solution) = 1 mmol·L−1, Cl (natural water) = 2.9 mmol·L−1, pH = 7], PMS concentration [b. DOC (Tyr solution) = 5.4 mg·L−1, DOC (natural water) = 2.5 mg·L−1, PMS = 100, 200, 400, 600, 800 µmol·L−1, the pre-oxidation time = 2 h, Cl (Tyr solution) = 1 mmol·L−1, Cl (natural water) = 2.9 mmol·L−1, pH = 7], Cl concentration [c. DOC (Tyr solution) = 5.4 mg·L−1, Cl = 0.5, 1, 1.5, 2, 2.5 mmol·L−1, the pre-oxidation time = 2 h, PMS = 200 µmol·L−1, pH = 7] and pH [d. DOC (Tyr solution) = 5.4 mg·L−1, DOC (natural water) = 2.5 mg·L−1, pH = 5, 6, 7, 8, 9, the pre-oxidation time = 2 h, PMS = 200 µmol·L−1, Cl (Tyr solution) = 1 mmol·L−1, Cl (natural water) = 2.9 mmol·L−1]

    随着预氧化时间和Cl浓度的增加,DBPs的浓度增加,因此细胞毒性增加。随着PMS浓度的增加,尽管TCM、TCAL、DCAM和TCAM的浓度增加,但是DCAN和TCAN的浓度先增加后降低。DCAN和TCAN的细胞毒性明显高于TCM、TCAL、DCAM和TCAM [37]。如图6所示,当DCAN和TCAN存在时,DCAN和TCAN对细胞毒性的贡献总和明显高于TCM、TCAL、DCAM和TCAM对细胞毒性的贡献总和。因此,随着PMS浓度的增加,细胞毒性先增加后降低。随着pH的增加,DBPs的浓度降低,因此随着pH的增加,细胞毒性降低。

    图 6  不同DBPs对细胞毒性的贡献
    Figure 6.  The contributions of different DBPs to cytotoxicity
    [DOC(Tyr溶液)= 5.4 mg·L−1,DOC(实际水样)= 2.5 mg·L−1,PMS = 100、200、400、600、800 µmol·L−1,预氧化时间 = 2 h,Cl(Tyr溶液)= 1 mmol·L−1,Cl(实际水样)= 2.9 mmol·L−1,pH = 7]
    Condition: DOC (Tyr solution) = 5.4 mg·L−1, DOC (natural water) = 2.5 mg·L−1, PMS = 100, 200, 400, 600, 800 µmol·L−1, the pre-oxidation time = 2 h, Cl (Tyr solution) = 1 mmol·L−1, Cl (natural water) = 2.9 mmol·L−1, pH = 7.

    (1)PMS预氧化过程中能够产生DBPs,随着预氧化时间及Cl浓度的增加,DBPs的浓度增加。

    (2)随着PMS浓度的增加,TCM、TCAL、DCAM和TCAM的浓度增加,但是DCAN和TCAN的浓度先增加后降低。随着pH的增加,DBPs的浓度降低。

    (3)随着预氧化时间及Cl浓度的增加,细胞毒性增加。随着PMS浓度的增加,细胞毒性先增加后降低。随着pH的增加,细胞毒性降低。

    (4)当PMS作为预氧化剂时,在保证预氧化效果的同时,应该缩短预氧化时间,降低原水中Cl浓度,同时提高预氧化时的pH,来降低DBPs浓度和毒性。

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出版历程
  • 收稿日期:  2012-12-16
  • 刊出日期:  2013-04-09
李俊霖, 李鹏, 王恒蓉, 郑桂灵. 特殊植物类群空气凤梨对大气污染物甲醛的净化[J]. 环境工程学报, 2013, 7(4): 1451-1458.
引用本文: 李俊霖, 李鹏, 王恒蓉, 郑桂灵. 特殊植物类群空气凤梨对大气污染物甲醛的净化[J]. 环境工程学报, 2013, 7(4): 1451-1458.
Li Junlin, Li Peng, Wang Hengrong, Zheng Guiling. Purification of air pollutant—formaldehyde with special plant group—epiphytic Tillandsia[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2013, 7(4): 1451-1458.
Citation: Li Junlin, Li Peng, Wang Hengrong, Zheng Guiling. Purification of air pollutant—formaldehyde with special plant group—epiphytic Tillandsia[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2013, 7(4): 1451-1458.

特殊植物类群空气凤梨对大气污染物甲醛的净化

  • 1. 西南科技大学生命科学与工程学院,绵阳 621010
基金项目:

国家自然科学基金资助项目(41005084)

摘要: 空气凤梨是一类生长在空气中、不需要土壤、生长所需的水分和营养可以全部来自空气的特殊植物。它们常被用来指示与修复大气重金属污染物和有机污染物,但尚未应用于甲醛净化研究。为了探讨空气凤梨对甲醛的净化效果,我们以2种空气凤梨为实验材料,吊兰为对照材料,通过密封箱内甲醛熏蒸及在封闭的实际环境中进行了实验。结果表明,松萝铁兰、硬叶空凤和吊兰3种植物在甲醛胁迫下,外部形态和生理指标有一定的变化,但未受到明显的伤害。更重要的是,3种植物对甲醛均有相当强的净化作用。6~8 h后,2种空气凤梨对甲醛的净化可达到与吊兰相近的效果。而在2 h内,空气凤梨净化甲醛的速度远远大于吊兰,这可能是与空气凤梨叶片表面覆盖有亲水性的鳞片层有关。上述结果表明,空气凤梨是比吊兰更快速有效地净化甲醛的植物类群,可选择应用于室内甲醛污染去除。

English Abstract

参考文献 (23)

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