不同碳源的生物质炭-磷化铁/零价铁的制备及对水中3,4,5,6-四氯吡啶-2-羧酸的去除

靳惠文, 张小乐, 牛红云, 蔡亚岐. 不同碳源的生物质炭-磷化铁/零价铁的制备及对水中3,4,5,6-四氯吡啶-2-羧酸的去除[J]. 环境化学, 2024, 43(9): 2998-3008. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2023030601
引用本文: 靳惠文, 张小乐, 牛红云, 蔡亚岐. 不同碳源的生物质炭-磷化铁/零价铁的制备及对水中3,4,5,6-四氯吡啶-2-羧酸的去除[J]. 环境化学, 2024, 43(9): 2998-3008. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2023030601
JIN Huiwen, ZHANG Xiaole, NIU Hongyun, CAI Yaqi. Preparation of biochar-iron phosphide/zero-valent iron with different carbon sources and removal of 3, 4, 5, 6-Tetrachloropyridine-2-carboxylic acid from water solution[J]. Environmental Chemistry, 2024, 43(9): 2998-3008. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2023030601
Citation: JIN Huiwen, ZHANG Xiaole, NIU Hongyun, CAI Yaqi. Preparation of biochar-iron phosphide/zero-valent iron with different carbon sources and removal of 3, 4, 5, 6-Tetrachloropyridine-2-carboxylic acid from water solution[J]. Environmental Chemistry, 2024, 43(9): 2998-3008. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2023030601

不同碳源的生物质炭-磷化铁/零价铁的制备及对水中3,4,5,6-四氯吡啶-2-羧酸的去除

    通讯作者: Tel:(086) 0315- 8805611,E-mail:smilxin@126.com
  • 基金项目:
    国家自然科学基金(22036007,22276207)和河北省自然科学基金(B2020209005)资助.
  • 中图分类号: X-1;O6

Preparation of biochar-iron phosphide/zero-valent iron with different carbon sources and removal of 3, 4, 5, 6-Tetrachloropyridine-2-carboxylic acid from water solution

    Corresponding author: ZHANG Xiaole, smilxin@126.com
  • Fund Project: the National Natural Science Foundation of China (22036007, 22276207) and the Natural Science Foundation of Hebei Province of China (B2020209005).
  • 摘要: 改性生物炭材料在环境污染物去除中的应用越来越广泛. 本文以鸡粪(CM)、咖啡渣(CG)、活性污泥(SL)等3种废弃生物质为碳源,制备了3种生物质炭-磷化铁/零价铁复合材料(BC-FexP/Fe). 这些材料主要由生物质炭、磷酸铁、磷化铁、零价铁或碳化铁及氧化铁组成. 用于降解水中的3,4,5,6-四氯吡啶-2-羧酸(TCPA)时,以活性污泥为碳源的SL-FexP/Fe材料对TCPA的去除效果明显优于以鸡粪为碳源的CM-FexP/Fe和以咖啡为碳源的CG-FexP/Fe材料,而且SL-FexP/Fe对TCPA的降解受pH影响较小. 在中性pH反应6 h后,CM-FexP/Fe、CG-FexP/Fe和SL-FexP/Fe对10 mg·L−1的TCPA的降解率分别为90.1%、71.1%和100%,矿化率分别为33.25%、22.61%和64.27%. 掩蔽实验和电子自旋共振(ESR)结果表明,SL-FexP/Fe体系存在多种活性氧物质. 使用前后材料的X射线晶体衍射和X射线光电子能谱分析,材料中的FexP、Fe3C、Fe和氮掺杂生物质炭均在有机污染物的降解过程中发挥了作用.
  • 加载中
  • 图 1  BC-FexP/Fe材料的XRD图谱

    Figure 1.  XRD patterns BC-FexP/Fe materials

    图 2  BC-FexP/Fe材料的SEM图

    Figure 2.  SEM images of BC-FexP/Fe materials

    图 3  (a)CM-FexP/Fe和(b)CG-FexP/Fe 和(c)SL-FexP/Fe对 TCPA 的降解和(d)TCPA的矿化度

    Figure 3.  Degradation of TCPA by (a) SL-FexP/Fe and (b) SL-FexP/Fe and (c) SL-FexP/Fe and (d) mineralization efficiency of TCPA

    图 4  初始 pH 值对 (a) CM-FexP/Fe ,(b) CG-FexP/Fe 和 (c) SL-FexP/Fe体系降解 TCPA 的影响及降解动力学曲线

    Figure 4.  Effects of initial pH on TCPA degradation in (a) CM-FexP/Fe, (b) CG-FexP/Fe and (c) SL-FexP/Fe system and the degradation kinetics curve

    图 5  (a)掩蔽剂对SL-FexP/Fe体系降解TCPA的作用及不同反应体系中(b)∙OH(c)1O2(d)∙O2的ESR谱图

    Figure 5.  The effect of quenching agent on the degradation of TCPA in SL-FexP/Fe system (a) and the ESR spectra of (b) ∙OH (c) 1O2 (d) ∙O2 in different reaction systems

    图 6  CM-FexP/Fe和SL-FexP/Fe使用前后的XRD图谱(a,b)和XPS图谱(c-g)

    Figure 6.  XRD(a, b) and XPS (c-g) spectra of used CM-FexP/Fe and SL-FexP/Fe

    图 7  (a) CM-FexP/Fe ,(b) CG-FexP/Fe 和 (c) SL-FexP/Fe材料的可重复利用性

    Figure 7.  The reusability of (a) CM-FexP/Fe and (b) CG-FexP/Fe and (c) SL-FexP/Fe

  • [1] 孙素云, 李宝磊, 孔德勇, 等. 氯代吡啶类污染物吸附与转化技术研究进展及挑战[J]. 环境工程, 2022, 40(5): 227-236. doi: 10.13205/j.hjgc.202205032

    SUN S Y, LI B L, KONG D Y, et al. Adsorption and transformation of chloropyridine: Research advances and challenges[J]. Environmental Engineering, 2022, 40(5): 227-236 (in Chinese). doi: 10.13205/j.hjgc.202205032

    [2] 孙素云. 二氯吡啶酸(CLP)胁迫下反硝化脱氮性能与微生物响应机制研究[D]. 天津: 天津城建大学, 2022.

    SUN S Y. Study on denitrification and nitrogen removal performance and microbial response mechanism under the stress of dichloropyridine acid (CLP) [D]. Tianjin: Tianjin Chengjian University, 2022 (in Chinese).

    [3] TIZAOUI C, MEZUGHI K, BICKLEY R. Heterogeneous photocatalytic removal of the herbicide clopyralid and its comparison with UV/H2O2 and ozone oxidation techniques[J]. Desalination, 2011, 273(1): 197-204. doi: 10.1016/j.desal.2010.11.036
    [4] LOU Z M, SONG Y Q, SHAO B J, et al. Pre-electrochemical treatment combined with fixed bed biofilm reactor for pyridine wastewater treatment: From performance to microbial community analysis[J]. Bioresource Technology, 2021, 319: 124110. doi: 10.1016/j.biortech.2020.124110
    [5] 马淳安, 徐颖华, 朱英红, 等. 粗糙化银电极上3, 4, 5, 6-四氯吡啶甲酸的电催化还原[J]. 浙江工业大学学报, 2006, 5(5): 473-477.

    MA C A, XU Y H, ZHU Y H, et al. Electrocatalytic reduction of 3, 4, 5, 6-tetrachloropicolinic acid on roughened silver electrode[J]. Journal of Zhejiang University of Technology, 2006, 5(5): 473-477 (in Chinese).

    [6] XU Y H, DING X F, MA H X, et al. Selective hydrodechlorination of 3, 5, 6-trichloropicolinic acid at an activated silver cathode: Synthesis of 3, 5-dichloropicolinic acid[J]. Electrochimica Acta, 2015, 151: 284-288. doi: 10.1016/j.electacta.2014.11.039
    [7] 刘斌. 高含盐难降解工业园区污水的物化-生化耦合深度净化技术[D]. 沈阳: 辽宁大学, 2021.

    LIU B. Advanced purification technology of physicochemical-biochemical coupling for wastewater from industrial park with high salinity and refractory degradation[D]. Shenyang: Liaoning University, 2021(in Chinese).

    [8] 罗开华. 生化法处理吡啶羧酸类废水的研究[D]. 湘潭: 湘潭大学, 2019.

    LUO K H. Study on treatment of pyridine carboxylic acid wastewater by biochemical method[D]. Xiangtan: Xiangtan University, 2019(in Chinese).

    [9] WESTPHAL K, SALIGER R, JÄGER D, et al. Degradation of clopyralid by the Fenton reaction[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2013, 52(39): 13924-13929.
    [10] HE L, JI Y X, CHENG J, et al. Effect of pH and Cl concentration on the electrochemical oxidation of pyridine in low-salinity reverse osmosis concentrate: Kinetics, mechanism, and toxicity assessment[J]. Chemical Engineering Journal, 2022, 449: 137669. doi: 10.1016/j.cej.2022.137669
    [11] BARBOSA FERREIRA M, SOUZA F L, MUÑOZ -MORALES M, et al. Clopyralid degradation by AOPs enhanced with zero valent iron[J]. Journal of Hazardous Materials, 2020, 392: 122282. doi: 10.1016/j.jhazmat.2020.122282
    [12] YANG X R, CAO X, ZHANG L, et al. Sulfate radical-based oxidation of the aminopyralid and picloram herbicides: The role of amino group on pyridine ring[J]. Journal of Hazardous Materials, 2021, 405: 124181. doi: 10.1016/j.jhazmat.2020.124181
    [13] FERREIRA M B, MUÑOZ -MORALES M, SÁEZ C, et al. Improving biotreatability of hazardous effluents combining ZVI, electrolysis and photolysis[J]. Science of the Total Environment, 2020, 713: 136647. doi: 10.1016/j.scitotenv.2020.136647
    [14] MA C, FENG S, ZHOU J M, et al. Enhancement of H2O2 decomposition efficiency by the co-catalytic effect of iron phosphide on the Fenton reaction for the degradation of methylene blue[J]. Applied Catalysis B:Environmental, 2019, 259: 118015. doi: 10.1016/j.apcatb.2019.118015
    [15] ZHENG N C, HE X, HU R T, et al. In-situ production of singlet oxygen by dioxygen activation on iron phosphide for advanced oxidation processes[J]. Applied Catalysis B:Environmental, 2022, 307: 121157. doi: 10.1016/j.apcatb.2022.121157
    [16] ZHENG N C, HE X, HU R T, et al. Co-activation of persulfate by cation and anion from FeP for advanced oxidation processes[J]. Applied Catalysis B:Environmental, 2021, 298: 120505. doi: 10.1016/j.apcatb.2021.120505
    [17] XIE Y, WANG X Q, TONG W H, et al. Fe xP/biochar composites induced oxygen-driven Fenton-like reaction for sulfamethoxazole removal: Performance and reaction mechanism[J]. Chemical Engineering Journal, 2020, 396: 125321. doi: 10.1016/j.cej.2020.125321
    [18] ZHAO N, LIU K Y, HE C, et al. Singlet oxygen mediated the selective removal of oxytetracycline in C/Fe3C/Fe0 system as compared to chloramphenicol[J]. Environment International, 2020, 143: 105899. doi: 10.1016/j.envint.2020.105899
    [19] QIAN L B, CHEN B L. Dual role of biochars as adsorbents for aluminum: The effects of oxygen-containing organic components and the scattering of silicate particles[J]. Environmental Science & Technology, 2013, 47(15): 8759-8768.
    [20] HU B W, AI Y J, JIN J, et al. Efficient elimination of organic and inorganic pollutants by biochar and biochar-based materials[J]. Biochar, 2020, 2(1): 47-64. doi: 10.1007/s42773-020-00044-4
    [21] RIZWAN M, ALI S, QAYYUM M F, et al. Mechanisms of biochar-mediated alleviation of toxicity of trace elements in plants: A critical review[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2016, 23(3): 2230-2248. doi: 10.1007/s11356-015-5697-7
    [22] PEREIRA LOPES R, ASTRUC D. Biochar as a support for nanocatalysts and other reagents: Recent advances and applications[J]. Coordination Chemistry Reviews, 2021, 426: 213585. doi: 10.1016/j.ccr.2020.213585
    [23] SEMERÁD J, ŠEVCŮ A, NGUYEN N H A, et al. Discovering the potential of an nZVI-biochar composite as a material for the nanobioremediation of chlorinated solvents in groundwater: Degradation efficiency and effect on resident microorganisms[J]. Chemosphere, 2021, 281: 130915. doi: 10.1016/j.chemosphere.2021.130915
    [24] 王舒畅, 宋亚丹, 孙远奎. 碳基材料修饰零价铁去除污染物的效能与机理[J]. 化学进展, 2019, 31(2): 422-432.

    WANG S C, SONG Y D, SUN Y K. Performance and mechanism of contaminants removal by carbon MaterialsModified zerovalent iron[J]. Progress in Chemistry, 2019, 31(2): 422-432 (in Chinese).

    [25] LIU C C, YIN Z H, HU D, et al. Biochar derived from chicken manure as a green adsorbent for naphthalene removal[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2021, 28(27): 36585-36597. doi: 10.1007/s11356-021-13286-x
    [26] WANG Z Y, HAN L F, SUN K, et al. Sorption of four hydrophobic organic contaminants by biochars derived from maize straw, wood dust and swine manure at different pyrolytic temperatures[J]. Chemosphere, 2016, 144: 285-291. doi: 10.1016/j.chemosphere.2015.08.042
    [27] 李尚真, 张治宏, 易晓辉, 等. 改性猪粪制生物炭活化过硫酸盐(PS)去除罗丹明B[J]. 环境化学, 2022, 41(3): 929-939. doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2021042106

    LI S Z, ZHANG Z H, YI X H, et al. Removal of Rhodamine B by modified pig manure made biochar-activated persulfate(PS)[J]. Environmental Chemistry, 2022, 41(3): 929-939 (in Chinese). doi: 10.7524/j.issn.0254-6108.2021042106

    [28] LYKOUDI A, FRONTISTIS Z, VAKROS J, et al. Degradation of sulfamethoxazole with persulfate using spent coffee grounds biochar as activator[J]. Journal of Environmental Management, 2020, 271: 111022. doi: 10.1016/j.jenvman.2020.111022
    [29] KE Y X, CUI S, FU Q, et al. Effects of pyrolysis temperature and aging treatment on the adsorption of Cd2+ and Zn2+ by coffee grounds biochar[J]. Chemosphere, 2022, 296: 134051. doi: 10.1016/j.chemosphere.2022.134051
    [30] SAMOLADA M C, ZABANIOTOU A A. Comparative assessment of municipal sewage sludge incineration, gasification and pyrolysis for a sustainable sludge-to-energy management in Greece[J]. Waste Management, 2014, 34(2): 411-420. doi: 10.1016/j.wasman.2013.11.003
    [31] LIU H D, XU G R, LI G B. Preparation of porous biochar based on pharmaceutical sludge activated by NaOH and its application in the adsorption of tetracycline[J]. Journal of Colloid and Interface Science, 2021, 587: 271-278. doi: 10.1016/j.jcis.2020.12.014
    [32] CHAGAS J K M, FIGUEIREDO C C, Da SILVA J, et al. The residual effect of sewage sludge biochar on soil availability and bioaccumulation of heavy metals: Evidence from a three-year field experiment[J]. Journal of Environmental Management, 2021, 279: 111824. doi: 10.1016/j.jenvman.2020.111824
    [33] LI Y, HAN D H, ARAI Y, et al. Kinetics and mechanisms of debromination of tetrabromobisphenol A by Cu coated nano zerovalent iron[J]. Chemical Engineering Journal, 2019, 373: 95-103. doi: 10.1016/j.cej.2019.04.182
    [34] DONADELLI J A, CARLOS L, ARQUES A, et al. Kinetic and mechanistic analysis of azo dyes decolorization by ZVI-assisted Fenton systems: PH-dependent shift in the contributions of reductive and oxidative transformation pathways[J]. Applied Catalysis B:Environmental, 2018, 231: 51-61. doi: 10.1016/j.apcatb.2018.02.057
    [35] DAVIES M J. Detection and characterisation of radicals using electron paramagnetic resonance (EPR) spin trapping and related methods[J]. Methods , 2016, 109: 21-30. doi: 10.1016/j.ymeth.2016.05.013
    [36] HUANG G X, WANG C Y, YANG C W, et al. Degradation of bisphenol A by peroxymonosulfate catalytically activated with Mn1.8Fe1.2O4 nanospheres: Synergism between Mn and Fe[J]. Environmental Science & Technology, 2017, 51(21): 12611-12618.
  • 加载中
图( 7)
计量
  • 文章访问数:  1123
  • HTML全文浏览数:  1123
  • PDF下载数:  17
  • 施引文献:  0
出版历程
  • 收稿日期:  2023-03-06
  • 录用日期:  2023-11-09
  • 刊出日期:  2024-09-27

不同碳源的生物质炭-磷化铁/零价铁的制备及对水中3,4,5,6-四氯吡啶-2-羧酸的去除

    通讯作者: Tel:(086) 0315- 8805611,E-mail:smilxin@126.com
  • 1. 华北理工大学生命科学学院,唐山,063210
  • 2. 环境化学与生态毒理学国家重点实验室,中国科学院生态环境研究中心,北京,100085
基金项目:
国家自然科学基金(22036007,22276207)和河北省自然科学基金(B2020209005)资助.

摘要: 改性生物炭材料在环境污染物去除中的应用越来越广泛. 本文以鸡粪(CM)、咖啡渣(CG)、活性污泥(SL)等3种废弃生物质为碳源,制备了3种生物质炭-磷化铁/零价铁复合材料(BC-FexP/Fe). 这些材料主要由生物质炭、磷酸铁、磷化铁、零价铁或碳化铁及氧化铁组成. 用于降解水中的3,4,5,6-四氯吡啶-2-羧酸(TCPA)时,以活性污泥为碳源的SL-FexP/Fe材料对TCPA的去除效果明显优于以鸡粪为碳源的CM-FexP/Fe和以咖啡为碳源的CG-FexP/Fe材料,而且SL-FexP/Fe对TCPA的降解受pH影响较小. 在中性pH反应6 h后,CM-FexP/Fe、CG-FexP/Fe和SL-FexP/Fe对10 mg·L−1的TCPA的降解率分别为90.1%、71.1%和100%,矿化率分别为33.25%、22.61%和64.27%. 掩蔽实验和电子自旋共振(ESR)结果表明,SL-FexP/Fe体系存在多种活性氧物质. 使用前后材料的X射线晶体衍射和X射线光电子能谱分析,材料中的FexP、Fe3C、Fe和氮掺杂生物质炭均在有机污染物的降解过程中发挥了作用.

English Abstract

  • 氯代吡啶是医药、农药等精细化工产品的常见结构或中间体,具有广泛的应用. 比如3, 6-二氯吡啶-2-羧酸(CLP)是一种用于控制一年或多年生阔叶杂草的常见氯代吡啶除草剂. CLP能够穿透土壤导致地下和地表水污染,在水中的溶解度高达1000 mg·L−1 [1]. 据报道,北美地区由融雪和降雨径流补给的水库中CLP浓度高达1050 ng·L−1 [2]. CLP生产过程产生的废水含有多种具有高毒性和致癌作用的氨基和氯取代的吡啶类物质[34]. 其中,3,4,5,6-四氯吡啶-2-羧酸(TCPA)是采用电化学还原法制备CLP的重要原材料和中间体 [56]. TCPA含有吡啶环和4个氯代基团,具有更强稳定性和高毒性,属于典型的难降解有机污染物,可以长期存在于水体中,并导致人体多项功能紊乱[7- 8]. 由于较高的生物毒性和稳定性,氯代吡啶废水进入生物处理系统前必须进行预处理.

    高级氧化技术(AOPs),如Fenton氧化[9]、光催化[3]、电化学氧化[1011]和过硫酸盐氧化[12]是氯代吡啶类废水预处理的常用方法. 但是,这些技术具有能耗高、氧化剂投入多以及污泥产生量高等缺点[11]. 研究一种低成本且能够高效去除水环境中氯吡啶类污染物的催化剂至关重要.

    零价铁(ZVI)的比表面积大、还原性强,已有研究将其用于吡啶类废水的预处理[11, 13]. 但是单独ZVI处理效果较差且产生污泥量高. 研究表明,磷化铁(FexP)和碳化铁比ZVI具有更高的活性和稳定性,可以高效活化溶解氧,产生羟基自由基、单线态氧和超氧阴离子自由基等多种活性氧物质,从而促进污染物的氧化降解[1418]. 近年来,生物炭(BC)是污染修复领域的热点材料之一,它具有原材料廉价易得、表面积大、官能团丰富等优点[1921]. 生物质炭可吸附去除污染物,还可以作为铁基纳米材料的载体[22],将ZVI等铁基材料负载到生物炭中能提高ZVI的反应活性和稳定性,增强污染物去除效果[23, 24].

    生物质炭的原材料种类丰富,不同种类也影响生物质炭的结构及性能. 我国每年产生牲畜粪便高达几十亿t,所含的有害物质可造成地表水和地下水的污染,将禽畜粪便热解制备成生物炭对解决能源危机和环境污染具有重要意义[2527]. 近年来我国咖啡市场逐年增长,预计每年可产生80多万t的咖啡渣,利用咖啡渣合成生物炭用于污染物处理备受关注[2829]. 随着我国城市化进程快速推进,每年产生大量的活性污泥,污泥中通常含有人类致病菌、重金属等有害物质,如果不处理将对环境造成二次污染并威胁人类健康[30]。污泥中含有大量有机质,制备成生物质炭是污泥资源化的重要处理技术[3132].

    本研究以咖啡渣、鸡粪和活性污泥等3种不同类型的生物质为原材料,合成了生物质炭负载的磷化铁/零价铁/碳化铁复合材料. 以制备材料为催化剂,对水中TCPA的预处理,确定不同种类生物质对生物炭复合材料的影响,获得了一种对水环境中难降解污染物具有强去除能力的水质净化材料.

    • 试剂:3,4,5,6-四氯吡啶-2-羧酸(TCPA)购于北京J&K化学有限公司,甲醇、乙腈、冰醋酸购于上海麦克林生化科技有限公司,磷酸、硫酸、氢氧化钠购于国药集团化学试剂有限公司,以上试剂均为分析纯. 超纯水由Milli-Q Advantage A10超纯水系统(美国Millipore)制备. 铁矿石(Fe2O3)粉末、干鸡粪(CM)和咖啡(CG)渣从淘宝店铺购得,其中干鸡粪来自于河北石家庄市某畜禽养殖场,咖啡渣来自于北京某咖啡店. 污泥选用北京市某污水处理厂活性污泥(SL).

      仪器:场发射扫描电子显微镜(日立S-5500,日本日立公司),X射线晶体衍射分析仪(XRD,D8 ADVANCE,德国BRUKER公司),X射线光电子能谱仪(XPS,ESCA-Lab-250Xi,Thermo Fisher Scientific),电子自旋共振波谱仪(ESR,EMX,德国BRUKER公司),高效液相色谱仪(HPLC, UltiMate 3000,Thermo Fisher Scientific),管式炉(OTF-1200X-60,合肥科晶材料技术公司),电热鼓风干燥箱(YLD-2000,黄石市恒丰医疗器械公司),电热板(EH20A Plus,北京莱伯泰科),球磨仪(BM4,北京格瑞德曼),总有机碳分析仪(TOC-L CPH,日本岛津),超高压液相色谱-四极杆串联飞行时间质谱联用仪(UPLC-Q-TOF-HRMS,Agilent-6540,美国安捷伦).

    • 将CM先在300 ℃氮气保护下炭化2 h,然后将炭化产物在1 mol·L−1 H3PO4中浸泡12 h,用去离子水洗涤至中性后,在60 ℃干燥箱中烘干备用. 干燥的咖啡渣和活性污泥分别浸泡在1 mol·L−1 H3PO4溶液中,于200 ℃加热2 h,冷却后用去离子水洗涤至中性,60 ℃烘干备用.

      将上述准备好的磷酸处理后的生物质炭分别与铁矿石按照质量比1:1的比例放入氧化锆研磨罐中,加入适量研磨小球,300 r·min−1研磨1 h. 随后,将混合均匀的前体物在N2保护下管式炉中800 ℃碳化1 h,冷却至室温即可获得BC-FexP/Fe材料(CM-FexP/Fe、CG-FexP/Fe、SL-FexP/Fe).

    • 将5 g·L−1的BC-FexP/Fe催化剂分散到50 mL含有(10—200) mg·L−1 TCPA的水溶液中,在25 ℃恒温摇床上以300 r·min−1的转速振荡反应. 在一定的时间间隔内,取1.0 mL悬浊液,经0.22 μm尼龙滤膜过滤后,进行高效液相色谱分析. 液相色谱所使用的色谱柱为Dikma C18色谱柱(5 μm,4.6 mm×150 mm),流动相由70%乙腈+30%水与0.2%乙酸组成. 检测波长为295 nm,流速为1.0 mL·min−1,柱温为30 ℃. 利用TOC分析仪测定样品的总有机碳(TOC)去除率.

    • 图1分别为CM-FexP/Fe、CG-FexP/Fe、SL-FexP/Fe的3种改性生物炭的XRD图谱. CM-FexP/Fe主要由SiO2、Fe3(PO42、FeP2、Fe3O4和Fe3C组成,未观察到明显的Fe衍射峰. CG-FexP/Fe和SL-FexP/Fe的晶型接近,主要由FeP2、FeP4、Fe和Fe3O4组成,基本上没有Fe3C组分,其中SL-FexP/Fe的XRD谱图中含有SiO2衍射峰. 结果表明,生物质的种类显著影响BC-FexP/Fe材料中Fe和FexP的存在形式.

      图2分别为CM-FexP/Fe、CG-FexP/Fe、SL-FexP/Fe的3种改性生物炭的扫描电镜图(SEM). 3种BC-FexP/Fe材料的表面形貌差异较大,CM-FexP/Fe表面分布着大量粒径相近的颗粒,排列较紧密(图2a, 2b);CG-FexP/Fe材料中含有一些块状生物炭,并可观察到少量多孔结构(图2c, 2d);SL-FexP/Fe材料则较为蓬松,含有大量的孔结构(图2e, 2f). 由于污泥中含有较多的有机质,故以活性污泥为碳源更容易获得具有明显孔隙结构的生物炭材料[27].

    • 以所制备的3种BC-FexP/Fe为催化剂,用于水中难降解污染物四氯吡啶酸的去除. 由图3可知,3种材料对TCPA的去除效率均随着TCPA初始浓度的增加而降低. 当TCPA的初始浓度在10—200 mg·L−1之间时,反应6 h后,CM-FexP/Fe对TCPA的去除率从90.1%降至32.5%(图3a);CG-FexP/Fe对TCPA的去除率也从71.1%降至29.7%(图3b). 与之相比,以SL-FexP/Fe为催化剂时,10—200 mg·L−1的TCPA在30 min内均可完全去除(图3c),说明该材料具有超高的反应活性.

      为了确定吸附和降解对TCPA去除的贡献,收集去除50 mg·L−1 TCPA后的3种材料,用甲醇解吸材料表面所吸附的TCPA或者降解产物. 解吸后的溶液浓缩、过滤后用HPLC-MS进行检测. 结果表明,CM-FexP/Fe、CG-FexP/Fe、SL-FexP/Fe材料表面的TCPA的解吸率分别为10.30%、4.26%和4.17%,说明TCPA主要通过氧化还原作用降解去除. 另外,反应后水溶液及解吸溶液中均检测到二氯吡啶酚(m/z 162.8)和三氯吡啶酚(m/z 197.8)降解产物. 在CM-FexP/Fe、CG-FexP/Fe和SL-FexP/Fe反应后的水溶液中,两种降解产物的峰面积分别为50 mg·L−1 TCPA峰面积的16.1%、17.1%和24.4%;在解吸溶液中,降解产物的峰面积分别为50 mg·L−1 TCPA峰面积的3.05%、4.58%和5.40%. 该结果说明,TCPA在3种材料表面主要通过脱氯、脱羧、加羟基等途径而降解去除.

      同时还考察了3种BC-FexP/Fe材料对TCPA的矿化能力(TOC去除率),结果见图3d. 当TCPA初始浓度为10 mg·L−1时,反应6 h后,CM-FexP/Fe、CG-FexP/Fe和SL-FexP/Fe对TCPA的矿化能力分别为33.25%、22.61%和64.27%.

      以上结果说明,SL-FexP/Fe对TCPA的降解去除和矿化能力均优于CM-FexP/Fe和CG-FexP/Fe材料.

    • 在酸性条件下,零价铁可以直接与TCPA发生还原脱氯反应(方程1—4)[11]. 当pH<5.0时,零价铁还可与溶解氧反应,生成H2O2,并释放出Fe2+(方程5),释放的Fe2+进一步催化H2O2的分解,产生·OH自由基(方程6),从而促进有机污染物的氧化降解. 在中性pH时,零价铁表面的Fe2+可以捕获溶解氧,将其还原成∙O2(方程7),并经过连续的单电子反应,生成H2O2(方程8). 另外,在中性和碱性条件下,零价铁可以与H2O和O2反应,产生OH(方程9)[17,33,34].

      用0.5 mol·L−1 NaOH和0.5 mol·L−1 H2SO4将反应溶液的pH分别调节至3.0、5.0、6.0和10.0,考察了溶液pH对TCPA去除的影响,结果如图4所示. CM-FexP/Fe和CG-FexP/Fe对TCPA的去除效率随着溶液pH的升高而降低,当溶液pH从3.0升高至10.0的时候,CM-FexP/Fe对TCPA的去除率由94.4%逐渐降至80%,CG-FexP/Fe对TCPA的去除效率也由80%逐渐降至60%. SL-FexP/Fe对TCPA的降解去除受pH影响较小,在酸性和中性条件下,30 min内TCPA的去除率均达到100%;当初始pH=10.0时,30 min内TCPA的去除率也可达到93.8%,4 h内可完全降解. 通过对不同pH条件下TCPA的降解过程进行动力学分析可知,该降解过程符合拟一级动力学,且降解速率常数随着溶液pH的升高而降低. 在pH=3.0—10.0范围内,CM-FexP/Fe降解TCPA的速率常数在0.28380.4175 min−1之间,CG-FexP/Fe降解TCPA的速率常数在0.15430.2427 min−1之间. 由于在pH=3.0—6.0时,SL-FexP/Fe仅用极短时间便可完全去除TCPA,故只对pH=10.0时TCPA的降解动力学进行了分析,其动力学常数为3.3691 min−1,甚至远大于CM-FexP/Fe和CG-FexP/Fe在酸性条件下降解TCPA的动力学常数.

      以上结果说明,相比CM-FexP/Fe和CG-FexP/Fe,SL-FexP/Fe材料在较宽的pH范围内具有较高活性. 这可能是由于SL-FexP/Fe多孔状生物质炭可以为污染物提供更多的活性位点,有利于污染物在材料表面的吸附,从而增加污染物与FexP/Fe接触的机率;另外,SL生物质炭的多孔结构可以使得FexP/Fe负载到内孔结构中,增强FexP/Fe的分散性. H2O及共存阴离子等极性分子与多孔碳孔道内FexP/Fe的接触机率远低于生物质炭表面的FexP/Fe,因而可以有效缓解H2O等环境介质对零价铁的腐蚀[24],有利于反应体系中产生更多的活性物质,促进污染物的高效去除.

      虽然CG-FexP/Fe和SL-FexP/Fe两种材料的组成相似,但是SL-FexP/Fe去除TCPA的能力显著优于CG-FexP/Fe. 该结果表明,BC-FexP/Fe材料中除Fe和FexP组分外,生物质炭可能也影响着材料的催化活性. 本研究中,以活性污泥为碳源所制备的BC-FexP/Fe的活性显著高于以鸡粪和咖啡渣为碳源制备的材料,以鸡粪为碳源制备的材料活性略高于咖啡渣为碳源制备的材料,这可能是活性污泥N含量较高,而鸡粪中N含量高于咖啡渣,碳化过程中,污泥生物质炭可能含有更多的氮掺杂生物质炭,其吸附和活化溶解氧的能力高于生物质炭或石墨化碳.

    • 为了探索BC-FexP/Fe去除TCPA的机理,在SL-FexP/Fe反应体系中分别添加叔丁醇(TBA)、超氧化物歧化酶(SOD)、菲啰啉(Phenth)、糠醇(FFA)和过氧化氢酶(CATA)几种掩蔽剂,分别掩蔽淬灭反应体系中的羟基自由基、超氧阴离子自由基、Fe2+、单线态氧(1O2)和H2O2. 图5a结果表明,加入1O2的淬灭剂FFA后,反应液中TCPA的降解在初始时间略受抑制,在反应60 min后TCPA依旧去除了99.5%;其余几种淬灭剂对TCPA的去除率几乎没有影响,但是降解速率有所减缓. 这说明,在该反应体系中同时存在∙OH、∙O21O2等多种活性物质,当某一种活性物质被清除后,其他几种ROS仍然可以快速降解TCPA. 材料表面的Fe2+和原位生成的H2O2的清除均未显著影响TCPA的去除效率,说明在SL-FexP/Fe表面同时存在着Fe二电子还原O2(方程5,6)和Fe2+一电子活化O2(方程7,8)的途径,因此,体系中可以原位生成∙OH、∙O21O2等多种活性物质,促进了TCPA的快速、高效降解和矿化.

      采用电子自旋共振(ESR)对反应体系中的ROS进行了测定[35]. 如图5b图5c图5d所示,在CM-FexP/Fe和CG-FexP/Fe体系中几乎未检测到自由基,而SL-FexP/Fe的反应体系中则检测到了单线态氧、超氧阴离子自由基和羟基自由基,该结果证实了SL-FexP/Fe对水中溶解氧的强活化能力.

      对使用前后的材料进行了XRD和XPS分析,结果如图6所示. 图6a表明,使用后CM-FexP/Fe材料的XRD谱图中,FexP和Fe3C的衍射峰强度有所降低,SiO2衍射峰强度显著增加,表明材料中的FexP和Fe3C对污染物降解起主要作用.

      与之类似,SL-FexP/Fe的XRD谱图中(图6b),FexP和Fe组分在使用之后也显著降低,说明在有机污染物降解过程中,这两种成分起主要作用. XPS结果表明,使用后的CM-FexP/Fe和SL-FexP/Fe表面Fe 2p(图6c)和P 2p(图6d)的峰强度均降低,表明这两种元素在使用过程中的消耗,但是这两种元素价态没有明显变化;C 1s(图6e)和O 1s(图6f)的谱图中均观察到C=O、C—O及COO等含氧官能团的增加. 在SL-FexP/Fe的O 1s谱图中(图6f),含氧官能团的含量显著高于CM-FexP/Fe,使得SL-FexP/Fe表面O 1s的结合能明显高于CM-FexP/Fe表面O 1s的结合能,说明在污染物降解过程中,SL-FexP/Fe中生物质炭发生了明显的氧化. 同时在SL-FexP/Fe的N 1s谱图中(图6g),反应前后N的价态发生明显变化,吡啶N和石墨N组分含量降低,而吡咯N含量增加,这可能是由于反应过程中N元素发生电子转移造成的,证明了N掺杂的生物质炭具有较高的活性. 因此SL-FexP/Fe材料比CM-FexP/Fe和CG-FexP/Fe具有更高的活化溶解氧的能力.

    • 为了考察3种BC-FexP/Fe材料的可重复利用性,对去除污染物后的材料进行了回收. 将回收的材料用甲醇洗涤3次,再用去离子水洗涤3次,在60 ℃真空干燥箱中烘干,用于下一批实验. 图7为3次循环中3种材料对TCPA的去除效率,图7a表明CM-FexP/Fe材料第二次循环较第一次使用时下降了23.74%,第三次循环较第一次下降了43.06%. 图7b结果显示,CG-FexP/Fe材料第二次循环较第一次下降了39.04%,第三次循环较第一次下降了48.87%. 与之相比,SL-FexP/Fe材料第二、三次循环的去除效果与第一次使用时几乎无差别,仅仅是在TCPA去除速率上稍有减缓(图7c). CG-FexP/Fe和CM-FexP/Fe材料孔道结构少,铁基纳米材料暴露在材料表面,从而导致其快速消耗,产生氢氧化铁、磷酸亚铁等沉淀物质并吸附在材料表面,进而阻碍了污染物与活性位点的接触,降低了去除效率[36];而SL-FexP/Fe材料中丰富的多孔结构使得铁基纳米材料更多分布在孔道中,可以有效防止FexP/Fe的快速消耗,延长材料的催化寿命.

    • 本研究以鸡粪、咖啡渣、活性污泥三种废弃生物质为碳源,以铁矿石为铁源,制备了生物质炭负载的磷化铁和零价铁复合材料. 其中,以活性污泥为生物质炭原材料所得复合材料(SL-FexP/Fe)具有明显的多孔结构. 将三种材料用于水中难降解污染物四氯吡啶酸的去除. 结果表明,SL-FexP/Fe对TCPA的降解和矿化能力均优于CM-FexP/Fe和CG-FexP/Fe,该材料对TCPA的降解几乎不受溶液pH的影响. 而且SL-FexP/Fe具有良好的重复利用性,循环3次后TCPA去除率仍可达到100%. 掩蔽实验和ESR结果表明,在SL-FexP/Fe体系中可以原位生成∙OH、∙O21O2等多种活性物质,促进了TCPA的快速、高效降解和矿化. SL-FexP/Fe材料中的FexP、Fe及N掺杂生物质炭均参与溶液中溶解氧的活化,因此SL-FexP/Fe体系具有超高的反应活性.

    参考文献 (36)

目录

/

返回文章
返回