有机磷酸酯(organophosphorus esters, OPEs)是一类重要的有机磷阻燃剂(organophosphate flame retardants, OPFRs),主要以磷作为支架,用链烃、芳香烃或卤代烃取代磷酸上的氢原子组成。按性质的差异,OPEs可划分为卤代和非卤代有机磷阻燃剂[1],前者主要是氯代有机磷酸酯(Chlorinated organophosphates, Cl-OPEs),主要包括磷酸三(2-氯乙基)酯(TCEP),磷酸三(2-氯丙基)酯(TCPP)和磷酸三(1,3-二氯-2-丙基)酯(TDCPP)等。20世纪80年代之后,随着溴代阻燃剂在世界范围内的禁用,OPFRs因具有良好的阻燃效果及其低烟、低毒、低卤等特点,得到了广泛应用[2],2015年全球OPFRs消耗量达到68万t[3]。鉴于OPEs是以简单物理添加而非键合的方式添加到材料中,可以通过挥发和表面磨损进入环境,近年来,OPEs在室内灰尘[4-5]、大气[6-7]、水体[8-13] 、土壤[14]、沉积物[11,15]、生物体[12,16]、污泥[11,17]和垃圾填埋场[18]等多种环境介质中频繁检出。尽管确切的人体暴露数据还比较有限,大量利用斑马鱼、大型溞、小鼠等模式生物或借助体外细胞进行的试验表明,OPEs具有多种毒性效应或指向了明显的致毒趋势,如急性毒性[19-22]、生殖与发育毒性[22-30]、神经毒性[24,31-34]、脏器毒性[35]、基因毒性和致突变性[19,36-38]、内分泌干扰性[39-43]和致癌性[20,44]。表1列出了主要OPEs的基本信息。
随着研究的深入,Cl-OPEs作为特殊的一类OPEs越来越受到学界关注。首先,Cl-OPEs是环境赋存最广的一类OPEs,在各介质的检出组成中占据主导地位,其浓度水平为ng·L−1—μg·L−1(水体和垃圾渗滤液),pg·m−3(空气),ng·g−1(土壤、室内灰尘、生物体和沉积物)。例如,TCPP和TCEP被证实是水环境中丰度最高的两种OPEs[8-10],浓度分别可达921 ng·L−1 (TCPP)和268 ng·L−1 (TCEP)[10];以TCPP为主的Cl-OPEs在我国土壤OPEs中占74%以上[14];TCEP在我国城市家庭和大学宿舍室内灰尘中的含量高达208 μg·g−1[5];TCPP在德国北海大气OPEs中的占比高达60%±16%[7],TCPP和TDCPP是韩国石洼人工湖沉积物中的主导OPEs[45],其中TCPP浓度达到2500 ng·g−1。其次,Cl-OPEs具有显著、广泛的生物毒性效应。一方面,在所有OPEs表现出的生物毒性种类中均观察到Cl-OPEs,且只有Cl-OPEs被报道具有致癌性[44];另一方面,研究也证实Cl-OPEs中的TDCPP生物毒性极强,例如TDCPP对虹鳟鱼的96 h-LC50仅为1.1 mg·L−1[20],对斑马鱼仔鱼和胚胎的116 h-LC50仅为7 mg·L−1[19],室内灰尘中的TDCPP可能引起男性激素水平改变和精液质量显著下降[29],其代谢物双(1,3-二氯-2-丙基)磷酸盐(BDCPP)对斑马鱼胚胎是比本体强4个数量级的致畸剂[31]等。另外,Cl-OPEs是最难降解的一类OPEs,由于其对生物和化学降解的抵制倾向,以活性污泥法为基础的常规污水处理技术收效甚微[46],改性沸石[47]和碳纳米管[48]等吸附剂被报道可以有效地吸附水中的Cl-OPEs,但后续处理较为棘手,在此背景下,高级氧化技术(AOPs)在Cl-OPEs降解上得到应用。然而,Cristale等的研究表明TCEP、TDCPP和TCPP在AOPs的应用中也是最顽固的OPFRs[49],例如,UV/H2O2过程中,TCPP、TCEP和TDCPP烷基链上的Cl的存在显著降低了·OH对烷基磷酸酯的反应活性,有机物如腐殖质对UV的辐射吸收抑制了H2O2的消耗,增大了污水处理厂(WWTP)废水中Cl-OPEs的去除难度。
由于Cl-OPEs在环境中检出浓度较高、毒性效应显著且难以生化降解,亟需研究控制Cl-OPEs的替代处理技术。目前,在Cl-OPEs降解领域三种具有代表性的探索方向是水解、微生物降解和光降解。近来,以复合金属/半导体基光催化剂、强自由基发生基质(例如过硫酸盐的活化溶液)和可持续光能体系为优化方向的光催化氧化技术日渐流行。