文献速递|北京工业大学ACB:从废锌锰电池电极材料中机械化学合成PMS活化剂:污染物亲电指数与电子转移过程之间的相关性

文摘   2025-01-20 08:22   天津  
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第一作者:Qiuyue Wan

通讯作者:孙治荣 教授

通讯单位:北京工业大学环境工程系

DOI:10.1016/j.apcatb.2025.125054









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创新性地使用废锌锰电池电极材料(ZMB)作为前驱体。通过对 ZMB 进行简化的 “洗涤-球磨-煅烧 ”工艺,开发出一种新型活化剂(代号为 BWZMB492),用于过一硫酸盐(PMS)活化和去除新出现的污染物。BWZMB492/PMS 系统可在 6 分钟内完全去除 20 mg-L-1 对乙酰氨基酚(APAP)。通过淬灭、探测和预混合实验,排除了活性氧的贡献,证实了电子传递过程(ETP)的主导作用。实验结果表明,PMS 倾向于优先吸附并形成 BWZMB492/PMS⁎ 复合物。同时,APAP 可作为电子供体,促进 ETP 的发生。此外,还选择了九种亲电指数不同的污染物进行去除实验和电化学测试。这些亲电指数较低的污染物在 BWZMB492/PMS 系统中表现出较高的去除效率。结果表明,去除效果和机理与污染物的亲电指数相关。








图文摘要







引言

本研究旨在探索废 ZMB 在 PMS-AOPs 领域的高值化利用,以去除 ECs。采用机械化学法成功制备了具有优异催化活化性能的高效活化剂(BWZMB492),并通过多种表征技术全面鉴定了其特性。首先,以 APAP 为模型污染物,通过响应面模型(RSM)对催化材料的合成条件进行了优化,确定了最佳合成途径。随后,通过一系列淬灭、探测和预混实验,排除了活性氧(ROS)的主导作用,验证了电子传递过程(ETP)在 BWZMB492/PMS/APAP 体系中的主要机理。此外,本研究还选取了九种不同性质的目标污染物,通过电化学分析测试探讨了它们在 BWZMB492/PMS 系统中的反应特性。此外,通过对不同 pH 值、共存离子、腐植酸(HA)和不同水质条件的研究以及循环实验,全面验证了 BWZMB492/PMS/APAP 系统的反应性能。该研究不仅拓展了富含高价值金属废弃物的资源化利用途径,而且简化了活化剂的制备过程。此外,它还系统地研究了不同类型污染物在 ETP 中的行为,为催化材料的设计和应用提供了新的视角和理论依据。





同位素标记技术

图文导读

Fig. 1(a) Removal efficiency of APAP in different systems; (b) Pseudo-first-order reaction kinetics fitting diagram with different activators; Effect of (c) activator dosage and (d) PMS concentration on APAP removal. Reaction conditions: [APAP] = 20 mg·L-1, [volume] = 150 mL, [activator] = 0.5 g·L-1 (except for panel c), and [PMS] = 0.5 mmol·L-1 (except for panel d).

Fig. 2SEM images of (a, e) ZMB, (b, f) WZMB, (c, g) BWZMB, and (d, h) BWZMB492; (i) EDS elemental mapping images, (j) TEM image, (k) high-resolution TEM image, and (l) SEAD pattern of BWZMB492; (m) Contact angle images of the prepared activators.

Fig. 3The (a) XRD, (b) Raman, (c) FTIR, (d) Nitrogen adsorption-desorption isotherms, (e) the full XPS spectrum, and high-resolution XPS spectra of (f) C 1 s, (g) O 1 s, (h) Mn 2p of ZMB, WZMB, BWZMB, and BWZMB492.

Fig. 4(a) Effect of various scavengers on APAP removal; (b) Premixing experiment (PMS and BWZMB492 were premixed for 3 and 6 min, then APAP was added into the system); (c) FTIR spectra of PMS, BWZMB492, PMS/BWZMB492 and PMS/BWZMB492/APAP; (d) The in-suit Raman spectra of different reaction systems; Electron density difference for (e) PMS and BWZMB492 and (f) APAP and BWZMB492/PMS⁎ complex. Reaction conditions: [APAP] = 20 mg·L-1, [volume] = 150 mL, [activator] = 0.2 g·L-1, and [PMS] = 0.3 mmol·L-1.

Fig. 5(a) The open-circuit potential of ZMB, WZMB, BWZMB, and BWZMB492; (b) Removal efficiency of different pollutants in BWZMB492/PMS system; (c) Pseudo-first-order reaction kinetics fitting diagram with different pollutants; (d) HOMO and LUMO of different pollutants; (e) Open-circuit potential of BMZMB492 with the addition of PMS and different pollutants; (f) Different falling potentials after adding various pollutants; (g) Correlation between the lnkobs of different pollutants and their falling potentials obtained in BWZMB492/PMS systems. Reaction conditions: [Pollutants] = 20 mg·L-1, [volume] = 150 mL, [activator] = 0.2 g·L-1, and [PMS] = 0.3 mmol·L-1.

Fig. 6(a) Effect of pH on APAP removal; (b) Real-time change of pH during the reaction; Effects of (c) co-existing ions, (d) humic acid, (e) different water matrices on APAP removal in the BWZMB492/PMS system; (f) Water quality index before and after APAP treatment in simulated sewage; (g) Cyclic experiment of BWZMB492/PMS/APAP system; (h) Metal leaching in the cyclic experiment; (i) XRD patterns of BWZMB492 before and after the cyclic experiment. Reaction conditions: [APAP] = 20 mg·L-1, [volume] = 150 mL, [activator] = 0.2 g·L-1, [PMS] = 0.3 mmol·L-1.








研究意义

本研究采用简化的 “洗涤-球磨-煅烧 ”工艺,成功制备了具有优异催化活化性能的 BWZMB492 活化剂。该制备工艺操作简单,产品收率高,具有工业适用性。BWZMB492/PMS 系统可在 6 分钟内完全去除 20 mg-L-1 的 APAP。在 BWZMB492/PMS/APAP 系统中,PMS 倾向于吸附在 BWZMB492 表面,形成复合物 BWZMB492/PMS⁎。与此同时,污染物 APAP 作为电子供体,驱动 ETP 过程实现对 APAP 的去除。考虑到污染物的特点,本研究选取了9种亲电指数不同的PPCPs,通过BWZMB492/PMS体系对其机理进行了全面研究。结果表明,亲电指数较低的7种污染物(APAP、BPA、TC、CTC、CBZ、SMZ和SMX)能有效诱导ETP过程,且亲电指数越低越有利于ETP反应。结果表明,ETP中的降解效果和机理与污染物的亲电指数相关,这为理解活化剂的选择性氧化行为提供了一个重要的视角。本研究以 APAP 为例,系统评价了 BWZMB492/PMS/APAP 体系在不同环境条件下的适应性和稳定性。结果表明,该体系在酸性或中性条件、多类离子共存、复杂水环境和循环实验中均表现出优异的降解性能。通过结合 LC-QQQ-MS 和 DFT,揭示了 APAP 降解的三种可能途径。该研究为锌锰电池废液的高值化利用提供了一种创新方法,为制作有效的活化剂奠定了科学基础。此外,它还有效验证了 ETP 中污染物特性与活化剂的协同诱导效应。


文献信息

Qiuyue Wan, Zhirong Sun, Mechanochemically synthesized peroxymonosulfate activators from spent zinc-manganese battery electrode material: correlation between pollutant electrophilicity index and electron transfer process, Applied Catalysis B: Environment and Energy, 2025, https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2025.125054



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