光诱导梧桐叶热解炭活化分子氧促进三氯酚降解研究

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多氯酚作为一种常见杀虫剂和消毒剂在方便日常生活的同时,造成了大气、土壤和水体的污染,已被列为优先控制污染物。生物炭由于含有丰富的含氧官能团(OFGs)和持久性自由基(PFRs)等结构,其在光诱导下会产生一定活性氧物种(ROS),这些ROS参与并影响着污染物的转化过程。但是目前,ROS的转化机制研究仍不充分,生物炭在其中起到的具体作用也尚不明确;同时,环境中生物炭对污染物光化学转化受到的影响也有待于进一步研究。基于此,本文以梧桐叶热解生物炭作为研究对象,从溶解性有机质、持久性自由基和含氧官能团等方面探究了光辐射下ROS产生转化过程中热解生物炭的作用形式;同时,模拟自然界中铁元素与热解炭紧密结合的情况,探讨铁修饰对热解炭结构性质和光化学行为的影响以及可能的原因。具体研究内容如下:1.藉由简单的一步热解法合成了一系列能产生ROS的热解炭材料,发现300℃2 h下合成的梧桐叶热解炭(SHC)材料拥有相对最高的三氯苯酚(TCP)去除率(48.80%)和H2O2产生效果(14.62μmol/L)。通过控制反应气氛、光照强度、材料合成条件等变量确定和完善了该体系中ROS的产生和转化关系:~1O2主要源于O2转化,·O2-在黑暗下能够微弱产生,H2O2产生需要光照参与。通过除去溶解性有机质(DOM)、控制PFRs与OFGs含量等考察光照下生物炭产生ROS的情况,探明了SHC光照产生ROS的过程中,以-OH为代表的OFGs起到了重要的转移电子和能量的作用,介导·O2-产生和~1O2的形成,并参与H2O2的转化;PFRs在活化H2O2转化为·OH的过程中发挥了重要的给电子作用,参与·O2-的少量产生且不受光照影响;DOM在ROS产生中的作用相对较弱。2.通过对比几种常见铁矿和铁盐与SHC相互作用的情况,发现硝酸铁为铁源修饰的梧桐叶热解炭(SHC-Fex)中SHC-Fe0.2具有更稳定的结构和更明显的光化学作用(TCP去除率达到62.84%,相比SHC净降解比例提升19.75%),可以作为环境中铁元素与热解炭紧密结合的模型。表征实验表明,铁在热解炭上主要以八面体配位形式与氧原子发生络合,这是铁稳定在热解炭上的重要原因。ROS检测和猝灭等实验结果表明,铁修饰通过增强热解炭给电子能力促进了除~1O2外其他多种ROS的产生,并使热解炭光转化TCP的途径从非自由基类型占主导转变为自由基类型占主导,其中我们发现铁修饰带来的热解炭给电子能力提升不受到光照影响。此外,铁形态和变化的实验也说明,配位铁带来的缓慢游离Fe2+的释放能介导芬顿过程加速H2O2到·OH的转化。
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