近日，意昂4体育平台賈金平團隊在環境領域著名學術期刊Water Research上發表了題為“Selective and efficient removal of emerging contaminants by sponge-like manganese ferrite synthesized using a solvent-free method: Crucial role of the three-dimensional porous structure”的研究論文。
本文采用無溶劑熔融法製備了具有三維分層多孔結構的海綿狀磁性錳基鐵氧體(MnFe2O4-S)。與MnFe2O4-P的顆粒狀結構相比，其結構上的變化有望提高活化劑降解活性，克服NOM幹擾🤌🏼。采用MnFe2O4-S活化過一硫酸鹽(PMS)來降解多種新型汙染物👨🏽⚖️，並將其與MnFe2O4-P在有無腐殖酸(HA)的條件下降解雙酚A的能力進行比較。MnFe2O4-S的降解效率是MnFe2O4-P的1.6倍。此外，20 mg·L-1 HA對MnFe2O4-S降解活性的抑製作用僅為7.1%，遠低於MnFe2O4-P的53.4%。MnFe2O4-S的抗幹擾特性和高效的降解效果在多種水基質中也得到保持。特別在湖水基質中，MnFe2O4-P的降解活性被抑製了35.6%🧑🍼🕴🏻，而MnFe2O4-S的降解活性幾乎沒有受到抑製。這一成果為綠色合成具有抗環境幹擾性能的高活性多孔尖晶石鐵氧體提供了另一種途徑。
研究背景
基於硫酸根自由基(SO4•−)的高級氧化工藝(SR-AOPs)由於其高氧化能力和廣泛的pH適用範圍，被認為是一種可行且高效的新型汙染物降解技術⚔️。近年來，金屬基材料因其多價態和易分離的特點被認為是活化過一硫酸鹽(PMS)生產SO4•−的理想活化劑🪞。然而，天然有機物(NOM)💇♀️🏊♂️，如腐殖酸(HA)🙂↕️，在廢水中普遍存在，可能會覆蓋活化劑的活性位點，淬滅活性氧物質(ROS)，從而大大降低新興汙染物的降解性能。因此，設計一種能抵抗廢水中有機物幹擾的金屬基活化劑具有重要意義🚵🏼。
尖晶石鐵氧體是典型的金屬基材料♗，因其製備工藝簡單、穩定性高、可磁分離等優點被認為是一類在芬頓反應中很有前景的活化劑。但尖晶石鐵氧體普遍存在活性位點的顆粒團聚嚴重，分散性差🎋，比表面積低的缺陷，這將導致活性位點暴露有限，傳質效率較差。同時，采用傳統的共沉澱法、水熱法等方法很難製備具有多孔結構的尖晶石鐵氧體。通常來說，模板法是製備多孔尖晶石鐵氧體的一種可行方法。然而👩👧👧，低產率、有毒的模板清除劑、長合成時間等缺陷阻礙了其進一步應用。因此，需要開發一種綠色高效的多孔尖晶石鐵氧體合成方法🧑🏭，並確保該鐵氧體能夠通過對NOM的篩分從而選擇性地去除廢水中的目標汙染物，這也是推動非均相AOPs廣泛應用的關鍵問題🥰。
研究內容
本文采用無溶劑熔融法成功製備了具有大孔和中孔交錯三維結構的海綿狀MnFe2O4-S。該方法能耗低，無廢水排放，無有毒試劑💆🏽。與MnFe2O4-P相比，製備的MnFe2O4-S在PMS活化BPA降解方面表現出更好的性能(k=0.256 min-1 vs. k=0.163 min-1)。由於大孔結構相互連通，MnFe2O4-S比表面積更大，活性位點暴露更充分，傳質效率更高。此外，在HA存在時💇🏼，MnFe2O4-S/PMS體系對BPA的降解表現出優異的抗幹擾性。在20 mg·L-1 HA條件下，降解反應的k值被抑製了7.1%👩🎤，遠低於MnFe2O4-P/PMS體系的53.4%。在湖水基質中🫅👏🏿，MnFe2O4-S/PMS體系的降解反應幾乎沒有被抑製，而MnFe2O4-P/PMS體系的k下降了35.6%。這些現象是由於NOM直徑和孔徑的差異導致的海綿結構的篩分作用。在陰離子存在的條件下📞，或是在寬的pH和BPA濃度範圍內🧔♂️，MnFe2O4-S/PMS體系仍能保持良好的去除率🧑🏿🔧。此外💧，該系統還具有去除多種新型汙染物(如BPF⏳、TCP、TC和CIP)的能力。更重要的是，MnFe2O4-S/PMS體系能有效去除BCW中63.0%、73.0%和90.1%的UV254、TOC和CODCr🦴，處理後的CODCr符合中國排放標準。因此，本研究為具有優異抗幹擾性能的高活性多孔尖晶石鐵氧體的工業製備提供了一種新方案🧓🏿，並有望推動非均相AOPs在去除廢水中新汙染物方向上的實際應用🔛。
圖1 MnFe2O4-S和MnFe2O4-P的表征圖
圖2 MnFe2O4-S和MnFe2O4-P的性能與抗性機理圖
本項目得到了國家自然科學基金和上海市自然科學基金的資助🤵🏼♀️。
作者簡介
孫同華💱，意昂4体育平台研究員🦦🧜、博士生導師💇🏽♂️，主要從事大氣汙染治理和控製技術、固體廢棄物處理處置及資源化和廢水治理技術等方面的研究。主持了多項國家及地方科研攻關項目🫓，如“863”項目✌🏻、國家自然科學基金面上項目和上海市科委重大項目等。在國內外雜誌及會議發表論文80余篇🧑🏼🏭，其中包括Environmental Science & Technology、Water Research🗣、Green Chemistry、Chemical Engineering Journal🍗、Journal of Hazardous Materials等高水平SCI論文50余篇，申請或授權專利20余項⇾。
李侃🧨，意昂4体育平台副教授🕯、博士生導師，主要從事環境電化學、汙染物高級氧化和廢水重金屬去除等方面的研究🤷♀️。主持多項國家級和省部級項目🪙，如國家自然科學青年項目👳🏽、基金面上項目和上海市科委自然科學基金項目等。在國內外雜誌發表論文60余篇，其中包括Environmental Science & Technology、Water Research、Applied Catalysis B - Environmental、Chemical Engineering Journal、Journal of Hazardous Materials等高水平SCI論文。
梁鍵星，意昂4体育平台2019級博士研究生🚣♀️。主要研究方向為固體廢棄物資源化與利用和基於過硫酸鹽的高級氧化技術研究與應用💞。目前以第一或共一作者身份在Water Research🦹、Journal of Hazardous Materials和Chemical Engineering Journal等期刊上發表研究性論文多篇。
陳榮燦，意昂4体育平台2020級本科生。曾參與“意昂4体育官方大學生創新實踐計劃”項目一項（項目號🛌🏼：IPP25161），意昂4体育官方本科生研究項目兩項（項目號：T160PRP39005和T160PRP42002）。目前以共一作者身份在Water Research發表研究性論文1篇。