邻苯二甲酸酯(PAEs)是一类被广泛使用的塑化剂,普遍存在于塑料制品、化妆品和农药中。其具有环境内分泌干扰活性,被列为优先控制污染物。工业废水,尤其是塑料回收和化工废水,是PAEs进入水环境的重要源。电芬顿技术通过原位电生成H₂O₂和Fe²⁺,持续产生·OH,是去除这类顽固有机物的有力武器。然而,传统均相电芬顿需在酸性条件(pH 2-3)下运行,且需不断补充亚铁盐,产生大量铁泥。利用天然矿石作为非均相催化剂,可以在较宽的pH范围内工作,催化剂可回收且不产铁泥。天然黄铁矿是地壳中分布最广的硫化物矿物,主要成分为FeS₂,价格极其低廉。本研究探索了直接使用天然黄铁矿作为非均相催化剂,用于电芬顿体系降解典型PAEs的可行性。
实验以DMP为靶标物。将天然黄铁矿石破碎、筛分至一定粒径。在非均相电芬顿反应器中,以石墨毡为阴极,铂片为阳极,黄铁矿颗粒悬浮于溶液中。在通入空气和外加电场下,阴极产生H₂O₂;黄铁矿表面溶出的微量Fe²⁺以及矿物表面≡Fe²⁺位点共同催化H₂O₂产生·OH。实验结果表明,在初始pH 3-7的广泛范围内,该体系对DMP均有超过90%的降解率,突破了传统芬顿的pH限制。在最优条件下(pH 5、电流密度10mA/cm²、黄铁矿投加量5g/L),60分钟内DMP(初始浓度50mg/L)可被完全去除,矿化率达到65%。
自由基捕获实验和ESR证实,·OH是该体系中的绝对主导活性物种。LC-MS鉴定出了DMP降解过程中的7种主要中间产物,包括单甲酯、邻苯二甲酸、羟基化衍生物等。基于此推演了DMP的两条主要降解路径。经过5次循环使用后,黄铁矿的催化活性仅衰减约10%,XPS分析表明其表面Fe的价态和组成基本稳定。滤出液中铁离子浓度低于0.3mg/L,几乎不产生铁泥。该研究巧妙地利用了天然黄铁矿这一廉价矿石,构建了可在近中性pH下高效运行、催化剂可重复利用的非均相电芬顿体系,为去除工业废水中塑化剂类污染物提供了一种经济、绿色的技术选择。
标签: