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今日WR | 高鐵酸鹽氧化降解礦物固定芘:礦物類型和中間氧化鐵物種的作用

時間:2022-03-30 來源: 瀏覽:

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第一作者:Ziquan Wang
通訊作者: 王芳
通訊單位: 中國科學院南京土壤研究所
論文 DOI 10.1016/j.watres.2022.118377

圖文摘要

成果簡介

高鐵酸鹽 (Fe(VI)) K 2 FeO 4 是修復水處理中有機污染物的有效綠色氧化劑。礦物是有效的污染物吸附劑,也是優(yōu)良的固體多相催化劑,可能會影響 Fe(VI) 的修復過程。 最近, 中國科學院南京土壤研究所 王芳 老師團隊在Water Research期刊上發(fā)表題為“ Degradation of mineral-immobilized pyrene by ferrate oxidation: role of mineral type and intermediate oxidative iron species ”的綜述文章。 在這項研究中, 以典型的多環(huán)芳烴化合物芘為對象,首次研究了Fe(VI)在蒙脫石、高嶺石和針鐵礦三種礦物上固定化芘的氧化作用。 在Fe(VI)濃度為50倍摩爾的條件下,pH9.0條件下,芘(10 μM)的降解率為87% ~ 99%。 不同礦物降解芘的最適pH值不同,最適pH值由中性到堿性依次為蒙脫石(pH 7.0)、高嶺石(pH 8.0)和針鐵礦(pH 9.0)。 雖然針鐵礦對Fe(VI)降解芘的催化活性最高,但由于針鐵礦體系中氧 化物質(zhì)的自衰變導致其降解效率低于蒙脫石。 質(zhì)子化和劉易斯酸在蒙脫土和針鐵礦上輔助Fe(VI)氧化芘。 中間高鐵酸鹽(Fe(V)/Fe(IV))是芘氧化的主要氧化種,而Fe(VI)的貢獻很小。 羥基自由基猝滅實驗表明,羥基自由基參與了礦物固定化芘的降解,在蒙脫土體系中,羥基自由基對芘降解的貢獻為11.5% ~ 27.4%,其次為高嶺石(10.8% ~ 21.4%)和針鐵礦(5.1% ~ 12.2%)。 基質(zhì)中大量的陽離子和溶解的腐殖酸阻礙了芘的降解。 最后,確定了兩種產(chǎn)生鄰苯二甲酸的降解途徑。 本研究證實了固定在礦物上的芘的Fe(VI)的高效氧化,有助于開發(fā)基于Fe(VI)的高效環(huán)保修復技術(shù)。

圖文導讀

1. 礦物固定化芘的降解效率

Fig. 1. Effects of oxidant dosage and solution pH on mineral-immobilized pyrene degradation by Fe(VI). Different letters on the bars in each graph indicate significant differences at p < 0.05 level. Experiment condition: [Pyrene] 0 : 10 μM; t: 2 h.

2. 礦物固定芘的降解動力學

Fig. 2. Degradation of mineral-immobilized pyrene with varied initial Fe(VI) concentration at pH 8.0 (a-c), and with varied pH at initial Fe(VI) concentration of 0.50 mM (d-f). 

Fig. 3. Plot of second- and third-order reaction kinetics for mineral-immobilized pyrene oxidation by Fe(VI) with different Fe(VI) dosages and pH according to  equation 2  and  7 , respectively. Symbols and solid lines stand for the experimental data and the model fitting results, respectively. Experimental conditions: a-c, g-i: pH 8.0, [Fe(VI)] 0 : 0.06?0.50 mM; d-f, i-l: [Fe(VI)] 0 : 0.50 mM, pH 7.0?9.0.

Fig. 4. Degradation kinetics of pyrene without pre-immobilization on minerals by Fe(VI) at pH 9.0. (a) and (b) are residual pyrene and Fe(VI) with reaction time, respectively; (c) and (d) are fitting of first-order and second-order degradation kinetics, respectively. Experimental condition: [Fe(VI)] 0 : 0.22 mM; [Pyrene] 0 : 21 μM.
3、高鐵酸鹽/礦物體系中降解芘的主要氧化劑

Fig. 5. Formation of hydrogen peroxide (a) and Fe(II) (b) in mineral-pyrene-Fe(VI) degradation system at pH 8.0. Reaction time: 8 min for H 2 O 2  determination, 2 h for Fe(II) determination. [Fe(VI)] 0 : 0.06-0.25 mM and 0.12 mM for H 2 O 2  and Fe(II) analysis, respectively; [Pyrene] 0 : 10 μM. (c) pyrene removal with bipyridine (BPY) at pH 8.0. [Fe(VI) 0 ]: 0.25 mM; [Pyrene]: 21 μM; t: 2 h. (d) EPR spectrum of the mineral-Fe(VI) reaction systems at pH 8.0. [Fe(VI)] 0 : 1.0 mM; t: 20 min. (e) Effect of tert-butyl alcohol (TBA, 10 mM) and phenyl sulfoxide (PMSO, 0.05 and 0.08 mM) on pyrene removal by Fe(VI) oxidation. [Fe(VI)] 0 : 0.25 mM; [Pyrene] 0 : 21 μM; t: 2 h. Asterisk on the bars represents significant difference at p< 0.05 (*) or 0.01 (**) level compared to the control treatment.
4、H2O2和Fe(III)對礦物固定化芘降解的影響

Fig. 6. Effect of initial added different concentration of H 2 O 2  (a) and Fe 3+  (b) on mineral-immobilized pyrene degradation by Fe(VI) oxidation. Asterisk on the bars with same color represents significant difference at p< 0.05 (*) or 0.01 (**) level compared to the treatment without H 2 O 2  or Fe 3+  addition for each mineral, respectively. Experiment condition: pH 8.0; [Fe(VI)] 0 : 0.12 mM for H 2 O 2  treatment, 0.25 mM for Fe(III) treatment; t: 1 h.
5、離子和溶解有機物對礦物固定化芘降解的影響

Fig. 7. Effect of cations (a), anions (b) and humic acid (HA) (c) on mineral-immobilized pyrene degradation by Fe(VI) oxidation. Asterisk on the bars represents significant difference at p< 0.05 (*) or 0.01 (**) level compared to the control treatment of each mineral. Experiment condition: pH 8.0; [Fe(VI)] 0:  0.06 mM; [ions]: 2 mM; t: 1 h.
6、氧化產(chǎn)物和反應(yīng)途徑

Fig. 8. Proposed reaction pathways of pyrene degradation by Fe(VI) oxidation. Structure in brackets are unidentified intermediates.

7、礦物催化Fe(VI)氧化芘的可能機理

Fig. 9. Possible mechanisms of minerals (a, montmorillonite; b, kaolinite; c, goethite) as catalysts on efficient pyrene oxidation by Fe(VI)

小結(jié)
研究表明,F(xiàn)e(VI)在pH 7.0-9.0的條件下對固定在礦物上的芘進行了有效的氧化。不同礦物降解芘的最適pH值從中性到堿性依次為蒙脫石、高嶺石和針鐵礦。質(zhì)子化作用和礦物表面官能團在Fe(VI)氧化芘中起重要作用。針鐵礦催化高鐵酸鹽的快速分解不利于芘的降解。芘的Fe(VI)氧化主要歸因于其氧化中間體Fe(V)/ Fe(IV)。高濃度的陽離子和可溶性腐植酸由于可能出現(xiàn)在環(huán)境中,對芘的降解有不利影響。 研究為揭示高鐵酸鹽降解礦物表面吸附多環(huán)芳烴的潛在機理提供了有價值的信息。

文獻信息:

Ziquan Wang, et al.  Degradation of mineral-immobilized pyrene by ferrate oxidation: role of mineral type and intermediate oxidative iron species ,   Water Research , 2022
論文DOI: 
https://doi.org/10.1016/j.watres.2022.118377

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