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【创新前沿】Water Research和Environmental Science & Technology先后报道我校在水污染控制领域最新研究成果

  稿件来源: 化学学院  |   作者:邢明阳  |  摄影:邢明阳  |  编辑:宇澄  |  访问量:38236

水中污染物的深度处理及净化一直是环境领域的研究热点。近日,环境化学领域顶级刊物Water Research及Environmental Science & Technology先后报道了我校张金龙教授与邢明阳副教授课题组在水污染控制领域的研究工作。

芬顿反应作为典型的高级氧化技术(AOPs)被广泛应用于水中有机污染物的去除。但芬顿反应中H2O2的分解效率仍然处于很低的水平(<30%)。在传统芬顿反应中往往需要加入大量的H2O2(30~6000 mmol/L)和Fe2+(18~410 mmol/L)来保证生成足够高浓度的活性物种,这不仅增加了反应成本还使芬顿反应容易中毒。课题组发现,商品化MoS2具有助催化Fenton反应高效分解H2O2的效应,在一个相对较低的芬顿试剂浓度下,MoS2表面暴露出的还原态的金属原子可以加速Fe3+/Fe2+的转化效率,提高了水中Fe2+的稳定性以及H2O2的分解效率。芬顿反应作为一种典型的AOPs,很少有文献报道其具有还原活性,这主要是因为芬顿反应中铁离子的循环效率低导致Fe3+浓度过高,Fe2+浓度过低无法表现出低价态铁离子的还原活性。

近日,课题组利用硫化钨助催化技术首次实现了芬顿反应同步氧化降解苯酚与还原六价铬。研究发现,WS2在光辅助Fe(II)/H2O2芬顿体系中对H2O2的分解有显著的协同催化作用。在WS2协同催化作用下,H2O2的分解效率从22.9%提高到60.1%,标准芬顿反应需要0.4 mmol/L 的H2O2 和0.14 mmol/L的Fe2+ 的最低浓度。有趣地是,协同催化芬顿策略可以同时氧化苯酚(10mg /L)和还原Cr(VI) (40mg /L),相应的氧化降解率和还原率在5分钟内可分别达到80.9%和90.9%,远高于常规的芬顿反应的效率(52.0%和31.0%)。WS2表面暴露的还原W4+活性位点可以大大加快Fe3+/Fe2+转化的限速步骤,在H2O2的分解和Cr(VI)的还原反应中起关键作用。该研究发现是无机助催化AOPs领域的一个突破,极大地提高了该策略在环境应用中的实用价值。

另一方面,为了实现对饮用水的深度净化,课题组继续以MoS2为助催化剂,首次将暗芬顿反应成功应用于饮用水快速杀菌领域。作为一种典型的高级氧化技术,芬顿反应由于羟基自由基(·OH)的强氧化性,在杀菌消毒领域具有广泛应用前景。但传统芬顿体系的H2O2分解效率一直较低,从而导致无光条件下芬顿的杀菌消毒效果一直不理想。课题组首次利用MoS2助催化芬顿反应实现了对大肠杆菌K-12和金黄色葡萄球菌的快速杀灭。MoS2作为Fe(II)/H2O2芬顿体系的助催化剂,利用其表面暴露的Mo4+活性位点显著提高了芬顿反应中Fe(III)/Fe(II)的循环效率,同时提高了H2O2的分解效率。MoS2助催化芬顿体系可在1分钟内实现对大肠杆菌83.37%的灭活率,30分钟内100%的灭活率。本研究为在无光环境下细菌的快速高效灭活提供了新的思路。

该系列工作分别由博士研究生董陈成及硕士研究生刘俊为第一作者,张金龙教授及邢明阳副教授为通讯作者。该工作得到了国家优秀青年基金、国家重点研发计划等项目的支持。

原文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.8b02403;https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0043135418306705。

发布日期:2018年09月17日22时28分
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