张秋香，唐晓姝，孙媛媛，陈 卫

(江南大学食品学院，江苏无锡214122)

己烯雌酚(DES)是一种人工合成的雌激素，在上世纪七八十年代作为类雌激素药物广泛运用于口服避孕，也曾作为促生长剂应用于畜牧业。国内外研究表明，DES与雌激素受体结合后会干扰人的内分泌，破坏机体遗传物质，诱发生殖器病变与肿瘤［1－3］。如今，我国已成为世界避孕药的生产和消费大国，而DES仍是避孕药的主要成分，在生产过程中随着工厂废水的排放，在水源和土壤中富集，造成环境雌激素的污染，威胁着环境与人类健康。由于雌激素在自然条件下性质稳定，难以自发降解，因此如何降解水中雌激素已成为世界各国科学家的研究热点。目前国内外雌激素降解方法主要有化学氧化法［4］、物理吸附法［5－6］和生物法［7－8］等。高级氧化技术(AOTs)是近 20年发展起来的一种有效去除雌激素的新型手段，原理是在高温高压、声、电、光辐射和催化剂的条件下，反应产生羟基自由基(·OH)，该自由基具有极强的氧化性，能够让碳碳双键发生加成反应，使难降解的大分子有机污染物氧化成低毒或无毒的小分子无机物。AOTs在处理水中分子量高、难降解、微量有害的有机污染物方面具有很大的优势。常见的高级氧化技术包括Fenton 氧化、光氧化［9］、超声氧化［10］、臭氧氧化［11－12］等。近期，有学者用2种或2种以上工艺联合产生更多的·OH来加速有机污染物的降解，从而降低成本［13－14］。雌激素主要由激素代替疗法、避孕药等途径进入水环境中，在城市废水处理厂的排水以及河流、湖泊等均会发现有雌激素的存在［15］，而在废水处理过程中很难将其全部去除。目前，我国常规的净水工艺仅能去除水中20%左右的有机物，也不能有效的将雌激素降到安全水平。为了保证饮用水的安全，需要研究开发出更好的方法去除水中的雌激素。本实验采用超声波(US)－Fenton方法降解水中DES，用液相色谱质谱联用(LC－MS/MS)检测方法对DES含量进行检测，并对DES的初始浓度、溶液pH、超声功率、温度、反应时间、以及Fenton试剂等因素进行分析优化，确定出最佳条件，考察其降解效能。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

甲醇、乙腈、醋酸铵 色谱纯，Tedia公司;H2O230%、FeSO4·7H2O、HCl、NaOH、无水硫酸镁 分析纯，国药集团化学试剂;雌激素标准品 己烯雌酚(DES，99.9%)，中国药品生物制品检定所。

VCX500型超声波细胞粉碎机 Sonics＆Materials公司;UPLC－TQD型超高效液相－串联四级杆质谱仪、ACQUITY BEH C18柱 1.7μm，100mm ×2.1mm Waters公司;电子天平 EL3002(d=0.01g)，AB103－N(d=1.00 × 10－4g)，Mettler Toledo公司;D－78532型离心机 Hettich公司;Milli－Q超纯水系统 Millipore公司。

1.2 实验方法

1.2.1 DES水溶液的配制 称取2mg的DES于5mL容量瓶，用甲醇定容，配制成400mg/L的单标储备液，－20℃保存。使用前用超纯水配制成所需的浓度的DES水溶液。

1.2.2 超声波降解反应 用HCl或NaOH调节DES水溶液的pH后，取50mL于150mL自制的反应器中，进行超声波反应。超声发送采用脉冲模式，发送时间∶间歇时间=6s∶4s，探头尖端直径13mm，插入反应器液面下距底部1/3处。反应装置见图1。为避免取样后溶液体积减小影响实验结果，实验中每次更换溶液并重新计时。

图1 实验装置Fig.1 Experimental set－up

1.2.2.1 DES初始浓度的影响与超声降解动力学本实验将考察在0℃、溶液pH为3.0、功率为200W的条件下，初始浓度在50～600μg/L的DES溶液与反应时间的关系，每个反应做6组平行实验(以下相同)，并研究在该浓度范围内，DES溶液的降解反应动力学。

1.2.2.2 降解条件的确定 本实验将研究超声功率、溶液pH以及反应温度对DES溶液降解率的影响，并确定出较优的条件，按表1设计并进行正交实验。在确定出最佳实验条件后，添加Fenton试剂，考察其对DES溶液降解率的影响，并确定最佳条件。

表1 超声法降解DES正交实验因素水平表Table 1 The factors and levels graph of orthogonal experiment of degradation of DES by US method

1.2.3 LC－MS/MS分析方法 取2mL的DES样品于50mL离心管中，加入4mL乙腈进行萃取，再加入1.3g的无水MgSO4用于去除样品中的水分，离心后上清液经0.22μm微孔滤膜过滤，滤液用LC－MS/MS测定。

LC－MS/MS液相色谱－质谱条件:

色谱柱:ACQUITY BEH C18(1.7μm，100mm ×2.1mm);流动相:1%醋酸铵溶液(A)和甲醇(B);采用梯度洗脱程序:0～0.3min，90%A，10%B(保持0.2min);0.5～2min，10%A，90%B;2～3min，0%A，100%B(保持 2min);流速:0.3mL/min;进样体积:2μL。

电离方式:ESI(－);雾化器压力:310.3kPa;离子喷雾电压:4000V;干燥器(N2)流速:650L/min;柱温:40℃;离子源温度:120℃;检测以多反应监测(MRM)方式扫描。

2 结果与分析

2.1 DES初始浓度的影响与超声降解动力学

从图2中可以看到，不同初始浓度的DES溶液的降解速率均遵循一级反应动力学，方程为ln(c0/c)=kt，其中，c0和c分别为DES溶液初始浓度和反应时间t后的剩余浓度，k是反应速率常数。表2显示4个浓度降解速率的相关系数的平方值均大于0.98，说明具有良好的线性。选用相关线性最高的200μg/L浓度，进行以下实验。

图2 DES初始浓度对降解的影响与各浓度超声降解速率的变化Fig.2 Effect of initial DES concentration on degradation and change of rate constant as a function of each DES concentration

表2 4种不同浓度的降解速率的线性方程和相关系数Table 2 Regression equation and correlation coefficient(R2)of degradation rate of 4 concentrations

2.2 单因素条件的确定

2.2.1 超声功率的影响 图3(A)显示，在0℃、DES浓度为 200μg/L、pH为 3.0条件下，随着功率在100W至最大输出功率250W范围内的增加，DES降解速率越快。而当功率为250W时，反应速率常数并未成直线上升(图3(B))，可能原因是出现气穴现象，即高功率的超声波产生的机械力致使液体中的低压气泡突然形成，未有足够的能量而破裂，降低了超声的利用率［16］。

图3 超声功率对DES降解的影响与各超声功率下降解速率的变化Fig.3 Effect of power density on degradation of DES and change of rate constant as a function of each power density

2.2.2 pH的影响 图4显示在0℃、水中DES浓度为200μg/L、功率为200W的条件下，用HCl或NaOH对溶液初始pH进行调节，研究不同pH条件下DES降解的效果，由图可知，溶液呈中性时，DES降解率最小;溶液呈强酸或强碱时，DES的降解率都很大，尤其是pH为3.0时。可知在强酸或强碱条件下，反应生成更多的·OH与DES反应。

图4 pH对DES降解的影响Fig.4 Effect of pH on degradation of DES

2.2.3 反应温度的影响 图5显示了DES初始浓度为200μg/L、pH为3.0、功率为200W的条件下，超声温度对DES降解率的影响。实验中的超声仪器中，没有温控功能，因此只能分为无控制条件和用冰浴控制在0℃两种条件。无控制条件下的溶液初始温度为室温约5℃，因机械能转换为热能，反应结束温度升高。

从图中可看出，两种温度控制条件下的DES降解率几乎相同。但由于液体温度上升后与液体饱和蒸汽压有着直接的关系，会对空化气泡产生影响，即蒸汽压升高会使空化气泡崩溃时产生的高温高压下降，反应速率降低［17］，因此实验中采用0℃的冰浴控制。

图5 反应温度对DES降解的影响Fig.5 Effect of temperature on degradation of DES

2.3 正交实验

以DES降解率作为评价指标，利用正交实验筛选出超声法降解DES的最佳工艺参数，实验设计及结果见表3。

表3 超声法降解DES正交实验设计与结果Table 3 Orthogonal experiment design and results of degradation of DES by US method

由表3可知，RA＞RB＞RC，即功率是影响DES降解率的主要因素，pH次之，降解时间影响最小。由此得出超声法降解DES最佳工艺条件:超声功率250W，pH3.0，降解时间为60min。

由于表3中功率的k2与k3值、时间的k2与k3值相差不大，又为了提高超声的利用率、也为了保护超声仪器，并提高实验效率，因此实验中选定的工艺条件为:超声功率200W，pH3.0，降解时间为50min，降解率为60%。

2.4 Fenton试剂的影响

Fenton试剂是H2O2和Fe2+组合的一种具有强氧化性的试剂，Fenton试剂法是在工业上研究较多并成功应用于废水处理的一种技术。H2O2在Fe2+催化分解下发挥极强的氧化性，分解大分子有机污染物氧化［18］，具有操作及设备简易、成本低、效果高、无二次污染等优点。

2.4.1 H2O2添加量的影响 H2O2在超声作用下(以下公式中的“)))”代表超声作用)产生·OH，如方程式(1)、(2)、(3)，产生的·OH 可以降解 DES，因此H2O2的含量是一个很重要的参数。

图6显示在0℃、pH为3.0、DES初始浓度为200μg/L、功率为 200W 的条件下，加入不同量的H2O2对DES降解的影响。从图中看出，随着H2O2添加量的增加，DES的降解率也逐渐增大;当加入8%和10%浓度的H2O2时，DES的降解率趋于相同。可能原因是过量的H2O2分子又与·OH发生反应生成氢过氧自由基·OOH，它的氧化能力比·OH 弱［19］，如方程式(4)。实验中选定添加8%的H2O2。

图6 H2O2添加量对DES降解的影响Fig.6 Effect of H2O2concentration on degradation of DES

2.4.2 Fe2+添加量的影响 在体系中加入一定的Fe2+，可以使 H2O2释放出更多的·OH，如方程式(5)［20］。

图7显示，在0℃、DES初始浓度为200μg/L、pH为3.0、功率为200W、加入8%浓度的H2O2的条件下，加入不同量的FeSO4·7H2O对DES降解的影响。由图可知，在随着FeSO4·7H2O添加量的增高，DES的去除率增加;当 FeSO4·7H2O添加量在 2mg和10mg时，DES的去除率达到85%;当FeSO4·7H2O添加量达到30mg时，DES的去除率则呈下降趋势。可能原因是在较高的Fe2+浓度下，大量的·OH迅速生成，当大量·OH积累并未与DES反应时，这些·OH又彼此反应生成水，如方程式(6)［21］，致使一部分·OH消耗掉，从而DES的去除率下降。实验中选定FeSO4·7H2O 添加量为 10mg，即0.2g/L。

图7 Fe2+添加量对DES降解的影响Fig.7 Effect of Fe2+concentration on degradation of DES

3 结论

本实验用US－Fenton方法对水中DES进行降解，用DSPE－LC－MS/MS方法对 DES进行分析，并对DES初始浓度、溶液pH、超声功率、反应温度以及Fenton试剂等降解条件进行分析。实验结果为:DES在初始浓度50～600μg/L时的降解均符合一级反应动力学模式;在100～250W范围内提高超声功率，能促进DES降解;pH为3.0时，对DES降解效果最好;温度在无控制条件和用冰浴控制在0℃时，对DES降解影响不大;Fenton试剂能够明显的促进DES降解并提高降解速率，体系中加入8%的H2O2与0.2g/L的Fe2+时，降解效果最佳，最终在50min时降解85%。

采用的US方法具有快速、简单、低成本、高效率、安全等特点，并用Fenton试剂提高了DES的降解能力与速率。US与Fenton试剂的结合，不仅能够有效的降解水中的DES，也为水中其他雌激素或酚类物质的降解提供了参考。

［1］Veronica LB，Lucia V，Monica MT，et al.Perinatal exposure to diethylstilbestrol alters the functional differentiation of the adult rat uterus［J］.The Joumal of Steroid Biochemistry and Molecular Biology，2013，138:1－9.

［2］Tapiero H，Ba GN，Tew KD，et al.Estrogens and environmental estrogens［J］.Biomedicine ＆ Pharmacother，2002，56(1):36－44.

［3］Martino MA，Nevadunsky NS，Magliaro TJ，et al.The DES(diethylstilbestrol)years:bridging the past into the future［J］.Primary Care Update for OB/GYNS，2002，9(1):7－12.

［4］吴小翠，王少华，熊光权，等.九种雌激素化合物的辐照降解研究［J］.湖北农业科学，2012，51(11):2311－2314.

［5］Maria F，Astrid D，Alois J.Adsorption isotherms of 17βestradiol on granular activated carbon(GAC)［J］.Chemosphere，2001，44(7):1573～1579.

［6］Zhang YP，Zhou JL.Removal of estrone and 17β－estradiol from water by adsorption［J］.Water Research，2005，39(16):3991－4003.

［7］Shi J，Fujisawa S，Nakai S，et al.Biodegradation of natural and synthetic estrogens by nitrifying activated sludge and ammoniaoxidizing bacterium Nitrosomonas europaea［J］.Water Res，2004，38(9):2323－2330.

［8］ServosMR，Bennie DT，Burnison BK.Distribution of estrogens，17β － estradiol and estrone，in Canadian municipal wastewater treatment plants［J］.Science of the total environment，2005，336(1－3):155－170.

［9］Ohko Y，Iuchi K，Niwa C.17β－Estradiol degradation by TiO2photocatalysis as a means of reducing estrongenic activity［J］.Environmental Science＆ Technology，2002，36(19):4175－4181.

［10］陈家财，朱昌平，高亚，等.超声降解含酚废水的研究进展［J］.声学技术，2007，26(2):341－347.

［11］Zhang X，Chen PY，Wu F，et al.Degradation of 17 alphaethinylestradiol in aqueous solution by ozonation［J］.Hazard Mater，2006，133(1－3):291－298.

［12］徐富，李学尧.饮用水中壬基酚的臭氧氧化降解研究［J］.环境科学与管理，2012，37(12):68－71.

［13］Naffrechoux E，Chanoux S，Petrier C.Sonochemical and photochemicaloxidation of organic matter［J］.Ultrasonics Sonochemistry，2000，7(4):255－259.

［14］孙莉，王丽华，陈杰.超声波－光催化降解处理苯酚的实验研究［J］.辽宁工程技术大学学报:自然科学版，2009，28:160－162.

［15］胡建英，杨敏.自来水及水源中的内分泌干扰无知［J］.净水技术，2001，20(3):3－6.

［16］曾玉凤，刘自力，秦祖赠，等.超声波协同Fenton试剂降解糖蜜酒精废水的工艺［J］.工业水处理，2007，27(7):67－70.

［17］Shi HX，Xu XW，Wang DH，Influencing factors and mechanism of decomposition of 4 － nitrophenol by US/O3［J］.Journal of Chemical Industry and Engineering，2006，57(2):390－396.

［18］Andreozzi R，Caprio V，Insola A，et al.Advanced oxidation processes(AOP)for water pufification and recory［J］.Catalysis Today，1999，53:51－59.

［19］Hassan H，Hameed BH.Oxidative decolorization of Acid Red 1 solutions by Fe－zeolite Y type catalyst［J］.Desalination，2011，276(1－3):45－52.

［20］Yim B，Yoo Y，Maeda Y.Sonolysis of alkylphenols in aqueous solution with Fe(Ⅱ)and Fe(Ⅲ)［J］.Chemosphere，2003，50(8):1015－1023.

［21］程丽华，黄君礼，高会旺.Fenton试剂降解水中酚类物质的研究［J］.重庆环境科学，2003，25(10):18－20.