溴代二苯醚脱溴降解的理论模拟及实验验证

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溴代二苯醚是目前用量最大的溴代阻燃剂之一,也是一种广泛受到研究关注的持久性有机污染物。其三类商用品中的两类(五溴和八溴二苯醚)已被《斯德哥尔摩公约》列为持久性有机污染物禁止生产和使用。唯一仅剩的商用品-十溴二苯醚,却因自身低毒性、低溶解性和低挥发性暂未被限制,在各个国家被大量使用。然而近年来的实验研究发现,十溴二苯醚在特定条件下可以经过脱溴降解,生成已被禁用的高毒性同族体。日益增长的十溴二苯醚环境浓度,引起了人们渐趋强烈的对于该类物质环境化学行为的担心:十溴二苯醚是否会在实际环境中经过脱溴降解,由目前认为无毒而被大量使用的物质,转变为已被禁用的、高毒性高危险性的较低溴代同族体?对于这个问题的解答迫在眉睫。然而,当前的研究缺少充分证据证明:在实际环境条件下,十溴二苯醚能否发生脱溴降解反应。而且目前针对十溴二苯醚的脱溴降解反应研究也仅是管中窥豹式的实验现象报道,少有更加深入的理论框架性研究。  本研究旨在通过量子力学理论计算,结合化学反应动力学方法,模拟十溴二苯醚脱溴降解过程,利用计算机模拟结果指导实验研究及环境观测。通过实验室模拟,研究典型溴代二苯醚污染环境条件下,十溴二苯醚的脱溴降解机理、产物特征及反应影响因素;并结合此典型环境的实地采样分析研究,从而得到在该类环境下溴代二苯醚污染状况、污染来源及其环境化学行为。研究主要结论及创新点如下:  获得了十溴二苯醚降解的同族体分布模式热力学总谱。由于该图谱的获得基于状态量的热力学数据,不受反应历程的限制,可以作为今后溴代二苯醚脱溴降解研究的普适性图谱,并可为今后溴代二苯醚的降解路径研究提供理论框架。此外,本研究所用基于热力学状态参量构建反应动力学模型的方法对于今后的持久性有机污染物的降解研究可以提供借鉴作用。  系统研究了十溴二苯醚热过程脱溴降解影响反应的因素,实验所得降解分布模式与模拟所得总谱吻合良好(p<0.01)。并测量了典型溴代二苯醚污染区域-浙江台州电子垃圾拆解地区农田土壤的污染情况,所有样品中(n=45)均检测出溴代二苯醚存在。其中24种目标溴代二苯醚同族体有17种均在所有样本中被检出,其余同族体在样本中的检出率为73.3%(BDE138)-97.8%(BDE139,140,153)。24种目标溴代二苯醚的浓度范围为2.96ng/g(干重)至200 ng/g,平均值和中位数分别为65.2 ng/g和62.5 ng/g。与世界上其他区域的农田土壤中溴代二苯醚浓度水平相比,台州农田中溴代二苯醚污染极为严重。  解释了在该类典型溴代二苯醚污染区域中,十溴二苯醚的脱溴降解为该环境中部分高毒性溴代二苯醚同族体的污染来源。在该地环境样品中检出商用品中所不存在的同族体,如BDE191,119,77等。由于环境中的反应限制,以及溴代二苯醚不存在除了商用品外的其他源,故此类同族体只能通过高溴代物脱溴降解获得。进而表明,在该采样地点的实际环境中,溴代二苯醚经历过系间脱溴降解的过程。  通过对电子垃圾处理对当地农田土壤溴代二苯醚的贡献情况进行定量,利用正定因子矩阵模型对样品进行源解析,识别并提取了五种与人类活动相关的潜在源,为化学品管理提供支持。结果表示:电子垃圾的回收处理过程是台州当地局部溴代二苯醚高浓度的主要来源;各种含溴代二苯醚材料的热处理过程是溴代二苯醚脱离材料表面进入环境中的最主要途径。
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