文献速递|华侨大学SPT:在棉花和改性牡蛎壳上使用普鲁士蓝类似物 (PBA) 的类芬顿系统降解污染物:通过再芬顿反应

文摘   2025-01-10 08:11   北京  
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第一作者:Ran Gao

通讯作者:洪俊明 教授

通讯单位:华侨大学化工学院

DOI:10.1016/j.seppur.2024.126339









全文速览

高级氧化工艺广泛使用普鲁士蓝类似物(PBAs)催化剂。然而,金属离子浸出限制了它们在类似芬顿体系中的应用,造成环境污染和长期性能下降。本研究采用共沉淀-煅烧法制备了立方体铁锰双金属 PBA 催化剂。在悬浮流实验中,在最佳条件下,亚甲基蓝(MB)在 90 分钟内的降解率超过 99.92%。基于密度泛函理论(DFT)分析和液相色谱-质谱(LC-MS)结果,提出了铁锰双金属成分的协同效应和甲基溴的降解途径。在回收实验中,金属离子浸出和催化剂结构破坏大大降低了催化剂的活性。为了克服 PBA 材料的金属浸出问题,研究人员构建了一种类似芬顿的连续流系统。将装有铁锰双金属催化剂的棉球与煅烧牡蛎壳固定床反应器相连。在 60 小时的连续进流实验中,废水中甲基溴的平均降解率达到 95.81%,比单催化剂连续进流系统高出 25.42%。实验和表征验证了使用改性牡蛎壳提高反应效果的机理。这种牡蛎壳能有效吸附反应过程中浸出的铁和锰金属离子,这些被吸附的金属离子通过异相芬顿反应进一步促进甲基溴的过一硫酸盐(PMS)氧化,这种反应被称为再芬顿反应。这项研究为 PBA 催化剂在高级氧化过程中的实际应用提供了一种新策略。








图文摘要







引言

基于上述分析,采用共沉淀-煅烧法合成了一种铁锰双金属 PBA 催化剂,用于 PMS 活化和 PMS-AOP 系统去除甲基溴。通过淬灭实验、激发-发射-矩阵光谱、DFT 和 LC-QTOF-MS 技术探讨了其机理和降解途径。为解决材料在长期使用过程中因金属离子浸出而失活的问题,将催化剂装载在棉球上,并与改性牡蛎壳固定床反应器相连,构建了一个连续流系统。在连续流系统中,随着反应的进行,改性牡蛎壳不断吸附上一次反应中浸出的金属离子,牡蛎壳的污染物降解能力不断增强,实现了再芬顿反应,有效解决了长期使用中金属离子浸出导致的材料失活问题。





同位素标记技术

图文导读

Fig. 1(A) XRD spectra of FFM and FFM-PBA. (B) FTIR spectra of FFM and FFM-PBA. (C) BET curve of FFM-PBA. (D-E) The SEM images of FFM-PBA. (F) The EDS elemental mapping images of FFM-PBA.

Fig. 2(A) Degradation efficiency of different systems. (B) K value of different systems. (C) Degradation efficiency of different PBA systems. (D) K value of different PBA systems. (E) Effect of catalyst dosage. (F) Effect of PMS dosage. (G) Effect of different initial pH. (H) Effect of different anions. (I) Effect of different water bodies. Conditions: Catalyst = 200 mg•L−1, MB = 10.0 mg•L−1, PMS = 0.2 mM, pH = 7.

Fig. 3(A) Effect of different quenchers; (B) DMPO-SO4-•, DMPO-OH•; (C) DMPO- •O2; (D) TMPO-1O2; (E-F) Fe2p spectrum before and after reaction; (G-H) Fe2p spectrum before and after reaction. Conditions: Catalyst = 200 mg•L−1, MB = 10.0 mg•L−1, PMS = 0.2 mM, pH = 7.

Fig. 4(A) Chemical structure of MB; (B) HOMO of MB; (C) Fukui index distribution of MB.

Fig. 5(A) Cyclic experiment; (B) The SEM images of used FFM-PBA; (C) Degradation effect of FFM-PBA/PMS system on other pollutants. Conditions: Catalyst = 200 mg•L−1, MB = 10.0 mg•L−1, PMS = 0.2 mM, pH = 7.

Fig. 6(A) Diagram of fixed bed continuous flow reactor based on FFM-PBA; (B) MB removal efficiency and effluent pH in catalyst/oyster shells/PMS system; (C) MB removal efficiency and effluent pH in only catalyst/PMS system. Conditions: MB = 10 mg•L−1, input flow rate = 500 mL/h, 0.1 mol•L−1 PMS input flow rate = 15 mL/h, pH = 7.








研究意义


总之,通过各种表征方法证明,FFM-PBA 是一种结构完整、金属离子负载均匀的类芬顿催化剂。在最佳条件下,10 mg-L-1 MB 在 90 分钟内的降解率为 99.92%。通过淬灭实验和 XPS 分析研究了降解机理,并分析了甲基溴的降解途径。然而,FFM-PBA 也存在 PBAs 材料的局限性,如金属离子浸出和催化剂结构破坏等,影响其长期稳定性和催化性能。为解决这一问题,研究人员构建了一个由棉球负载催化剂与煅烧改性牡蛎壳固定床反应器相连接的连续流 Fenton-like 系统。实验和表征结果表明,改性牡蛎壳可以吸附前一次反应中浸出的金属离子,并利用吸附的金属离子再次活化 PMS,从而产生再 Fenton 反应,使降解效率稳定在较高水平。这项研究为解决 PBAs 催化剂的金属浸出问题提供了一种新策略。
文献信息

Ran Gao, Zhi Huang, Jielong Xu, Yuwei Xue, Ting Zhang, Qian Zhang, Jiefeng Xiao, Junming Hong, Pollutant degradation by Fenton-like system with Prussian blue analogs (PBAs) on cotton and modified oyster shell: Via re-Fenton reaction, Separation and Purification Technology, 2024, https://doi.org/10.1016/j.seppur.2024.126339



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