水合电子是由一个电子和若干(平均为六个)水分子组成的带单位负电荷的实体,是一种还原性极强的物质,当光照自然水体时,水中的一些芳香类物质可发生光致电离并产生水合电子,有研究指出这些产生的水合电子可将共存的有机污染物还原降解。论文选择环境中广泛存在的吲哚及其衍生物作为可光致电离的芳香物质,研究它在光照下对有机污染的降解,实验结果表明,吲哚及其衍生物可在光照下发生光致电离并生成水合电子。2：1型粘土矿物,如蒙脱石等,在自然界中广泛分布,论文研究首次发现当天然蒙脱石存在时,吲哚产生水合电子的效率会显著提高。使用原位红外和电子顺磁共振技术对反应机理进行了研究,结合实验结果和前人的研究工作,我们认为蒙脱石促进吲哚产生水合电子的过程可以描述如下：吲哚在光照下发生电离后生成一对吲哚阳离子自由基和电子,电子在水中可迅速极化形成水合电子,由于电荷复合作用,水合电子很容易与吲哚阳离子自由基复合淬灭,因此整个反应过程中水合电子的产率较低。当反应系统中加入蒙脱石后,一部分吲哚会吸附到蒙脱石层间,由于蒙脱石层间具有空间限域效应且天然带负电荷,光照时层间产生的吲哚阳离子自由基会被带有负电荷的蒙脱石晶层稳定,移动性受限,与水合电子的电荷复合也被抑制,因此使水合电子的产率大大提高。硝基芳香化合物(NACs)的生产和使用十分广泛,是合成杀虫剂、农药、炸药、染料和药物等的化学原料。人类对这类物质的大量使用导致了严峻的环境污染问题。这类物质毒性大,进入人体后会损伤肝、脾、肾等脏器功能,甚至导致神经损伤,而且在哺乳动物体内易被转化为致癌性更强的亚硝基化合物。由于硝基的存在,NACs结构稳定,较难降解,因此对人类和生态系统会造成持续性危害,并产生一系列环境和生态效应。因此NACs在自然环境中的迁移转化受到极大关注。NACs在环境中的降解途径可分为生物降解和非生物降解两种。非生物降解主要是被还原性的铁和硫、胞外聚合物等物质还原降解。NACs也可以被直接光解或被太阳照射天然水体产生的OH·、1O2、H2O2等活性物质降解。论文以间二硝基苯(m-DNB)作为NACs的代表性物质,证明了水体中的m-DNB可以被吲哚产生的水合电子还原为3-硝基苯胺,当天然蒙脱石存在时还原m-DNB的反应被显著促进。通过设计光降解实验和吸附实验,研究了不同阳离子饱和的天然蒙脱石对光还原反应的促进情况。研究表明吸附是还原反应被促进的先决条件,吲哚和m-DNB首先吸附到蒙脱石层间,当光照时,层间的吲哚产生水合电子将同样吸附在层间的m-DNB还原降解。蒙脱石在反应中不仅提高了水合电子的产率,而且还将吲哚和m-DNB富集到层间,大大提高水合电子与m-DNB的接触几率,扮演了“反应器”的作用。野外太阳光照实验也证明上述反应可在自然环境中发生,因此这种反应很可能是一条新的NACs在自然环境中的降解路径。全氟化合物(PFCs)由于具有极好的耐热性、化学稳定性和表面活性,代表性物质是全氟辛烷羧酸(PFOA)和全氟辛烷磺酸(PFOS),被广泛应用于制造乳化剂、防水防污涂层、高温润滑剂、阻燃剂、防火泡沫和金属防氧化涂层等。由于长期大量生产使用,PFOA和PFOS在环境介质和生物体中被广泛检出,对生态系统和人类健康造成危害。有研究证明水合电子可以有效降解PFCs,并能够实现完全脱氟。如前文所述,吲哚类物质能在光照下产生水合电子,蒙脱石可以促进水合电子的产生,因此我们也希望利用吲哚／蒙脱石体系产生的水合电子还原降解PFCs。论文通过优化反应条件,提高了吲哚／蒙脱石体系水合电子的产率,实现了利用吲哚／蒙脱石体系高效降解PFOA。实验结果表明,对天然蒙脱石进行有机改性后,可以大大促进其对PFOA和吲哚的吸附,增加光照吲哚产生的水合电子与PFOA的接触几率,进而促进反应对PFOA的降解。不同阳离子表面活性剂改性的蒙脱石对PFOA吸附能力不同,因此对PFOA降解的促进能力亦不同,吸附能力越强,对PFOA降解的促进能力越强,其中HDTMA-蒙脱石对PFOA降解的促进程度最大。通过对五种吲哚类物质在HDTMA-蒙脱石存在下产生水合电子降解PFOA进行研究,结果表明吲哚类物质自身在光照下产生水合电子的量子产率和它们在HDTMA-蒙脱石上的吸附共同决定了对PFOA的降解,经过比对分析,最终发现3-吲哚乙酸(IAA)/HDTMA-蒙脱石体系能最有效的降解PFOA。使用最优反应体系在相同反应条件下降解PFOS,结果表明PFOS和PFOA的降解速率基本一致。论文还研究了各种反应条件,如反应pH,水体中溶解氧,腐殖酸等对反应的影响。实验证明,IAA/HDTMA-蒙脱石体系不仅可以显著促进水合电子降解PFOA,而且降解反应不受溶液pH和溶解氧影响,受水体中腐殖酸的影响也相对较小。使用原位红外和电子顺磁共振技术对反应机理进行了研究,证明在降解PFOA过程中,首先PFOA和IAA通过疏水作用吸附到HDTMA-蒙脱石层间,在光照下,IAA分子发生光致电离产生一对阳离子自由基和水合电子,天然带负电荷的蒙脱石晶层稳定了产生的IAA阳离子自由基,抑制其与水合电子的复合,使水合电子可以进攻同样吸附在层间的PFOA,实现PFOA的降解脱氟。HDTMA-蒙脱石层间由C16链构成的有机相还起到“防护盾”的作用,这层防护盾可以阻挡溶液中的氧气和氢离子向蒙脱石层间转移,因此保护了层间的水合电子不被淬灭,使PFOA的降解不受影响。