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潘丙才教授課題組在Fenton反應選擇性調控方面取得新進展

2020-05-26 09:51:23來源: 環境功能材料與水污染控制 閱讀量: 20212

導讀: 如何突破芬頓反應局限、提升對目標污染物的降解選擇性對推動芬頓水處理技術的應用升級具有重要意義。研究發現,在pH 5–6區間內,PICA可高效催化Fe(III)/H2O2降解阿特拉津、鹵代酚等各類模型污染物。
  傳統芬頓反應以H2O2作為鏈傳播介質,通過內層電子轉移反應介導Fe(III)/Fe(II)轉化,從而持續產生羥基自由基(HO•)。然而,Fe(III)易水解且難還原,導致芬頓氧化工藝存在鐵泥產量大、pH工作區間窄(pH 2.0~3.5)等固有缺陷。此外,HO•的高反應活性也使其易與實際水體中大量共存基質反應,極大地降低了對目標污染物的氧化效率、提高了運行成本。
 
  因此,如何突破芬頓反應局限、提升對目標污染物的降解選擇性對推動芬頓水處理技術的應用升級具有重要意義。通過改變鐵配位環境以調控Fe(III)/Fe(II)循環,促進HO•及選擇性氧化物種的同時產生是潛在解決方法。
 
  然而,常見的小分子羧酸類配體不僅難以強化Fe(III)/Fe(II)循環以促進HO•的產生,也無法產生選擇性氧化物種;部分N基大環配體雖能強化Fe(IV)=O等高價鐵的產生以提高對污染物的降解選擇性,但制備復雜且未商品化,難以實際應用。
 
  課題組在前期研究基礎上(Water Res. 2018,137, 37-46;Environ. Sci. Technol. 2018, 52, 2197-2205;Chem. Eng. J. 2020, 391, 123592),以可生物降解的吡啶甲酸(PICA)為配體發展了Fe(III)/Fe(II)循環調控的新方法,為解決上述問題提供了一條可行的路徑。
 
  PICA是生物體內色氨酸代謝物,常用作絡合劑以促進生物體對鉻、鋅等元素的吸收。
 
  研究發現,在pH 5–6區間內,PICA可高效催化Fe(III)/H2O2降解阿特拉津、鹵代酚等各類模型污染物。
 
  其作用主要體現在以下三個方面:
 
  (1) 與Fe(III)配位形成2:1配合物(FeIII(PICA)2OH或其二聚體),提高與H2O2的反應速率,促進Fe(III)的還原;
 
  (2) 反應過程中PICA被HO•降解,產物可直接還原Fe(III);
 
  (3) 穩定Fe(III)/Fe(II)循環中高自旋鐵過氧化物—PICA–FeIII–OOH,從而使其作為親核試劑在實際水體中高效選擇性氧化各類鹵代酚。PICA不僅顯著改善了芬頓反應的運行條件,兩種氧化物種的同時產生也可兼顧高級氧化的廣譜性和選擇性。
 
  該研究可為高效配體或芬頓催化劑的選擇及設計提供新思路。
 
  研究成果以“The Fenton Reaction in Water Assisted by Picolinic Acid: Accelerated Iron Cycling and Co-generation of A Selective Fe-based Oxidant”為題在線發表于環境領域學術期刊Environmental Science & Technology (http://doi.org/10.1021/acs.est.1c00230)。論文第一作者為楊志超助理研究員,通訊作者為潘丙才教授和康涅狄格州農業研究所Joseph J. Pignatello教授,單超副教授為共同作者。康涅狄格州農業研究所楊一博士、Hirotatsu Murano副教授、王正陽博士及畢翔宇博士參與了課題內容討論。本研究得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、中國留學基金委及美國NIFA的資助。
 
  原標題: 潘丙才教授課題組在Fenton反應選擇性調控方面取得新進展

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