活化过一硫酸盐技术降解环境有机污染物的研究进展

高级氧化技术是一种以产生羟基自由基(·OH)和硫酸根自由基(SO₄?·)来降解环境有机污染物的技术. 近年来,通过活化过一硫酸盐(peroxymonosulfate, PMS)而产生SO₄?·的高级氧化技术受到了广泛关注. 与基于·OH的传统高级氧化技术相比,基于SO₄?·的高级氧化技术具有氧化还原电位高、半衰期长、适用pH范围广和对污染物反应快速等优点. 本文从活化PMS方法的特点和性质出发,对目前活化PMS技术降解环境有机污染物的主要方法和活化机理进行了论述,活化方法包括过渡金属活化(均相和非均相)、碳质材料活化、碱性活化、热活化、辐射活化、电解活化等,活化PMS的机制是通过活化方法使其分子结构中的O—O键发生断裂,从而使PMS分解形成SO₄?·或其他的活性物质. 此外,分析了活化PMS降解环境有机污染物的主要影响因素,其中影响均相系统PMS活化的因素包括过渡金属剂量、pH和水中阴离子等,过量的PMS和过渡金属可能成为SO₄?·的抑制剂,pH不仅对氧化剂分解产生自由基起着关键作用,还影响过渡金属种类的形成及其与氧化剂反应的有效性,而水中阴离子会与有机化合物竞争和SO₄?·发生反应. 最后,提出未来研究重点应在开发稳定高效活化PMS的金属氧化物、碳质材料,以及使用多种处理技术协同作用上,同时应加强对活化PMS技术降解有机污染物体系的降解产物和毒性分析的研究.      

碳纳米管活化过一硫酸盐降解金橙G过程及动力学

采用碳纳米管(CNT)作为固体活化剂,活化过一硫酸盐(PMS)氧化降解偶氮染料金橙G(OG).结果表明,CNT活化PMS降解OG的效果要比活性炭(GAC)好,45 min可使OG的脱色率达到99%;并研究了CNT活化PMS降解OG的机制及反应过程的动力学,发现CNT活化PMS产生的自由基主要是SO_4~-·,活化场所在CNT的表面.通过对CNT/PMS体系降解OG的主要影响因素(温度、OG初始浓度、CNT投加量、PMS浓度、初始pH)进行一级动力学拟合.最后通过紫外可见光谱分析,发现OG在479 nm和330 nm处吸收峰强度明显减少,表明OG分子中偶氮键及萘环结构均一定程度被破坏;且CNT/PMS降解体系对染料OG具有一定矿化率.     

Cl-/PMS体系降解甲氧苄啶的效能与机理

采用氯离子（Cl^－）作为阴离子活化剂,活化单过硫酸氢钾（PMS）氧化降解甲氧苄啶（TMP）.研究了Cl^－/PMS体系降解TMP中起主要作用的活性物种,同时考察了Cl^－浓度、PMS投加量、初始pH值对降解效果的影响,并研根据中间产物推断了TMP降解路径.实验结果表明,Cl^－/PMS体系中的主要活性物种是Cl^－和PMS直接反应生成的活性氯.降解过程符合拟一级反应动力学模型（R²>0.99）;随着Cl^－浓度和PMS投加量增加,反应速率常数k_obs增大;初始pH范围在5.0~9.0范围内,随着pH值的增大,TMP的去除率先减小后增大;TMP主要经历了氯取代和羟基取代过程,其核心结构上没有实质性的分解.     

锰基氧化物活化过硫酸盐降解水中有机污染物的研究进展

近年来,基于硫酸根自由基（SO₄·-）的新型高级氧化技术研发及其在水污染控制和土壤修复方面的应用备受关注.锰基氧化物因其结构性质多变、自然丰度高、环境友好等优势,被广泛应用于活化过氧一硫酸盐（PMS）和过氧二硫酸盐（PDS）处理难降解有机污染物.该文对可活化PMS/PDS的锰基氧化物的类型、结构特征、合成方法及影响反应活性的因素等进行了介绍,重点对不同锰基催化剂活化PMS/PDS的反应机理进行了讨论,并对未来的研究和发展进行了展望,旨在为拓展锰基矿物材料环境应用和阐明过硫酸盐活化机制提供重要参考.结果表明:活化产生的SO₄·-和羟基自由基（·OH）对污染物的降解起关键作用.SO₄·-具有较高的稳定性和氧化性,在降解过程中发挥主导作用.复合型锰基氧化物相较于单一锰基氧化物表现出更优的催化反应活性.PMS和PDS活化的反应机理存在显著差异:前者通过Mn（Ⅳ）与Mn（Ⅲ）之间的氧化还原循环,先生成SO₅·-再产生SO₄·-,而后者是通过氧化还原反应相继生成S₂O₈·-及SO₄·-.此外,MnO₂活化PDS还存在仅生成单态氧的非自由基反应机理.现阶段锰基氧化物活化PDS的相关研究仍比较匮乏,值得未来进一步深入研究.锰基材料活化PDS/PMS产生的活泼中间体Mn（Ⅲ）的鉴定及对污染物降解的贡献仍需更多直接的试验证据.      

基于PMS的Cr(Ⅵ)-染料复合废水协同处理效果及机理

通过投加过一硫酸盐(PMS)探讨其协同处理偶氮染料金橙Ⅱ(AO7)及Cr(Ⅵ)的可行性、影响因素及机理.结果表明,体系可以在有效去除AO7的同时降低Cr(Ⅵ)浓度,120min时降解率分别达到97.9%及22.1%;随着初始pH值降低AO7降解及Cr(Ⅵ)去除效率逐渐升高;AO7的降解主要是由于Cl-与PMS反应产生的氧化性物质HClO以及PMS投加创造的酸性条件使得Cr(Ⅵ)具有强氧化性的共同作用,其中起主导作用的是HClO;Cr(Ⅵ)的转化是由于自身与AO7发生氧化还原反应导致.本研究可以为复合污染废水的处理提供理论依据.     

预磁化强化ZnO@Fe3O4活化PMS降解AO7

为了研究预磁化对ZnO@Fe_3O_4活化过一硫酸盐(PMS)去除水中酸性橙7(AO7)性能的影响,考察了预磁化强度、ZnO@Fe_3O_4投量、PMS投量及初始pH对Mag-ZnO@Fe_3O_4/PMS体系降解AO7效果的影响.结果表明,当预磁化强度由0 T逐渐增大至2 T时,催化剂去除AO7的表观速率常数由0.0463 min~(-1)逐渐增大至0.1832 min~(-1),反应速率提高倍数达到1.4～4.0倍; Mag-ZnO@Fe_3O_4和PMS投量的增加对AO7的去除率均有提升效果,在最优条件下反应20 min后AO7的去除率达92%;体系初始pH对AO7降解有显著影响, pH为6～8条件下有利于Mag-ZnO@Fe_3O_4催化PMS氧化反应的进行.通过投加不同种类的猝灭剂,证实了AO7的降解主要是各种自由基共同作用的结果.经过预磁化处理后的催化剂产生感应磁场,从而影响了反应体系中自由基的复合概率,使得污染物被自由基氧化的速率提高.     

磁铁矿活化过硫酸钠降解泥浆体系中的三氯乙烯

研究了磁铁矿活化过硫酸钠技术氧化泥浆系统中三氯乙烯(TCE)的效果.同时,考察了Fe2+、Cl-和HCO-3对TCE降解过程的影响,并采用有机碳含量不同的2种天然土壤,以及用H2O2去除低聚合"软碳"和高温灼烧去除全部有机碳后所得到的2种土壤,考察了有机质含量对TCE降解的影响,检测了反应过程中有机质的变化.结果表明,在中性pH值条件下,磁铁矿活化过硫酸钠是表面活化反应,反应产物为α-Fe2O3,TCE氧化降解过程符合准一级反应动力学方程.在初始TCE浓度20 mg·L-1、磁铁矿投量20 g·L-1时,TCE在48 h后的去除率达到97%.Fe2+对反应有促进作用,Cl-和HCO-3均会对反应起到抑制作用,其中,HCO-3的抑制作用强于Cl-.TCE降解速率受土壤有机质含量影响较大,土壤去除有机质(SOM)后TCE的降解速率明显加快.通过检测有机质变化发现,过硫酸钠对有机质的去除较小,有机质对TCE降解的抑制可能是通过消耗过硫酸钠、表面消耗自由基和对有机污染物的竞争吸附等多种途径引起的.     

生物炭基材料活化过一硫酸盐降解有机污染物的研究进展

水体中难降解有机物对人体和生态环境存在潜在威胁,开发高效、环保和低成本的催化体系对修复此类废水具有重要意义.生物炭基材料-过硫酸盐高级氧化体系在污水处理领域有广阔的应用前景,为了进一步明确生物炭基材料活化PMS(过一硫酸盐)降解有机污染物的性能及微观机制,综述了生物炭、(非)金属元素掺杂生物炭和金属氧化物-生物炭复合材料3种典型生物炭基材料活化PMS降解有机污染物的催化活性及界面反应机制.结果表明:生物炭基材料表面催化位点(如含氧官能团、缺陷、持久性自由基、金属原子等)可通过自由基或非自由基方式促进PMS活化,进而促进SO₄-·(硫酸根自由基)、·OH(羟基自由基)和O₂-·(超氧自由基)等活性物种的产生,最终增加相应体系的催化活性;使用(非)金属元素掺杂或者负载金属(氧化物)能够显著改变生物炭电荷分布和活性位点,进而增加生物炭基材料的催化活性.但目前的研究仍存在一些不足,如多种活性位点在生物炭基材料活化PMS过程中的协同作用机制尚不明确,杂原子共掺杂生物炭或生物炭负载单原子催化剂在PMS体系中的催化活性及机制、自由基/非自由基方式的协同作用机制也兹待研究.此外,污染物自身结构特性对生物炭基材料催化活性的影响机制也有待进一步探讨.      

碱活化过一硫酸盐降解水中环丙沙星

采用碱活化过一硫酸盐(peroxymonosulfate,PMS)对环丙沙星(ciprofloxacin,CIP)的去除进行了系统地研究.结果表明,碱活化PMS体系能够高效地去除CIP.通过自由基捕获实验确定了单线态氧(~1O_2)和超氧自由基(O_2~-·)是反应体系中的主要活性物种.NaOH浓度、PMS浓度、反应温度和共存阴离子等对CIP在碱活化PMS体系中的去除均有一定影响.随着NaOH和PMS浓度的增加,CIP的降解均呈现出先增加后降低的趋势.提高反应温度能够加大CIP的反应速率,经过阿伦尼乌斯方程拟合得到的反应活化能为5.09 k J·mol~(-1).不同的阴离子对CIP的去除呈现不同的影响:Cl~-、SO_4~(2-)和NO_3~-对CIP的降解没有呈现明显的作用,H_2PO_4~(2-)能够有效地抑制环丙沙星的去除,而CO_3~(2-)极大地促进了反应进程.通过UPLC-MS/MS可检测到10种降解产物,CIP分子结构中的哌嗪环易于受到活性物种的攻击.     

紫外强化铜循环催化过硫酸盐降解甲基橙

为增强Cu（Ⅱ）/PMS（PMS为活化过硫酸盐）体系的氧化能力,加速Cu（Ⅰ）和Cu（Ⅱ）之间的循环转化,以MO（甲基橙）为目标污染物,研究了Cu（Ⅱ）/PMS/UV（UV为紫外线）体系氧化降解MO的效果和反应机理,以及UV在Cu（Ⅱ）/PMS体系中的作用.结果表明:反应20 min时,Cu（Ⅱ）/PMS体系中MO的降解率为41.13%,Cu（Ⅱ）/PMS/UV体系中MO的降解率达到100%;通过投加TBA（叔丁醇）和EA（乙醇）发现,在酸性条件下体系的主要氧化物种是SO₄-·（硫酸根自由基）和少量的·OH（羟基自由基）;MO的降解率随pH的增大而减小;提高紫外灯功率和PMS投加量均有利于MO的降解;最佳Cu（Ⅱ）投加量为10.0 μmol/L,超过Cu（Ⅱ）的最佳投量会抑制MO的降解;MO的降解过程符合假一级动力学;紫外可见光谱图分析结果表明,MO最终被降解为共轭二烯类物质.研究显示,在Cu（Ⅱ）/PMS/UV体系中,UV可以有效促进Cu（Ⅱ）向Cu（Ⅰ）的转化,从而显著增强Cu（Ⅱ）/PMS体系的氧化能力,有效降解水中污染物.      

赤泥活化过一硫酸盐降解环丙沙星:性能和机制

为提高赤泥的综合利用及抗生素有机废水的深度处理,以赤泥（red mud,RM）为催化剂、环丙沙星（ciprofloxacin,CIP）为目标污染物,系统研究了RM活化过一硫酸盐（peroxymonosulfate,PMS）降解CIP的效果和机制.结果表明,含有Fe、Al和Ca等金属氧化物,具有较大比表面积（10.96 m²·g^-1）和复杂孔道结构的RM能够有效增强PMS对CIP的降解速率和效果.自由基捕获剂甲醇、叔丁醇和苯酚的抑制实验结果进一步说明,体系产生的SO₄^-·和HO·在RM表面与CIP发生氧化反应.温度、PMS浓度和RM投加量影响CIP的降解.温度升高反应速度加快,反应活化能为5.74 kJ·mol^-1; PMS浓度增加,体系产生更多SO₄^-·和HO·,CIP的降解率升高; RM存在最佳投加量1.0 g·L^-1.HPLC/MS/MS共检测到8种降解产物,CIP分子中的哌嗪环易受活性物质进攻,CIP主要通过2种途径进行降解.本研究表明RM是一种极具潜力的廉价催化剂,可用于活化过一硫酸盐处理含抗生素的污染废水.     

硼酸和磷酸对PMS/Co2+均相催化氧化有机物的影响因素与机制

基于过一硫酸盐（PMS）的高级氧化方法被广泛用于有机污染物的降解.本研究以富电子偶氮染料酸性橙7（AO7）为目标有机物,探究了在硼酸（路易斯酸）和磷酸（布朗斯台德酸）两种不同类型的缓冲液中,PMS/Co²⁺均相催化氧化降解有机物的差异、影响因素及作用机制.PMS/Co²⁺均相催化氧化体系在磷酸盐缓冲液中降解有机物的k值高于其在硼酸盐缓冲液中,而在磷酸盐缓冲液中的前10 s降解率却低于其在硼酸盐缓冲液中.该体系氧化降解有机物在硼酸和磷酸缓冲液中的差异随着缓冲液、PMS浓度、Co²⁺浓度和pH的变化而有所不同.PMS/Co²⁺体系在磷酸盐缓冲液中主要通过SO₄^-·或·OH氧化降解有机物,在硼酸盐缓冲液中,PMS/Co²⁺体系主要通过非自由基途径（¹O₂）降解有机物.该研究将为PMS均相催化中不同类型缓冲液的应用提供参考.     

Fe-N co-doped coral-like hollow carbon shell toward boosting peroxymonosulfate activation for efficient degradation of tetracycline: Singlet oxygen-dominated non-radical pathway

Fe-N co-doped coral-like hollow carbon shell (Fe-N-CS) was synthesized via a simply impregnation-pyrolysis method. The Fe-N-CS showed an excellent ability for activating peroxymonosulfate (PMS), which could degrade about 93.74% tetracycline (20 mg/L) in 12 min. The Fe-N-CS/PMS system exhibited a good anti-interference capacity of various pH, inorganic anions, HA and different water qualities. More importantly, the Fe nanoparticles were anchored uniformly in the carbon layer, effectively limiting the metal leaching. The quenching tests and electron spin resonance (ESR) manifested that non-radical singlet oxygen (¹O₂) was the main reactive oxygen species (ROS) for TC degradation. The mechanism study showed that Fe nanoparticles, defect and graphite N played a key role in activating PMS to produce ROS. Moreover, three probable degradation pathways were proposed by using LC-MS measurements. Generally, this work had a new insight for the synthesis of heterogeneous Fe-N-C catalysts in the advanced oxidation process based on PMS.     

Peroxymonosulfate enhanced photoelectrocatalytic oxidation of organic contaminants and simultaneously cathodic recycling of silver

Degradation of organic contaminants with simultaneous recycling of Ag⁺ from silver-containing organic wastewater such as photographic effluents is desired. Although photoelectrocatalysis (PEC) technology is a good candidate for this type of wastewater, its reaction kinetics still needs to be improved. Herein, peroxymonosulfate (PMS) was employed to enhance the PEC kinetics for oxidation of phenol (PhOH) at the anode and reduction of Ag⁺ at the cathode. The degradation efficiency of phenol (PhOH, 0.1 mmol/L) was increased from 42.8% to 96.9% by adding 5 mmol/L PMS at a potential of 0.25 V. Meanwhile, the Ag (by wt%) deposited on the cathode was 28.1% (Ag₂O) in PEC process, while that of Ag (by wt%) was 69.7% (Ag⁰) by adding PMS. According to the electrochemistry analysis, PMS, as photoelectrons acceptor, enhances the separation efficiency of charges and the direct h⁺ oxidation of PhOH at the photoanode. Meantime, the increasing cathode potential avoided H₂ evolution and strongly alkaline at the surface of cathode, thus enabling the deposition of Ag⁺ in the form of metallic silver with the help of PMS. In addition, PMS combined with PEC process was effective in treating photographic effluents.     

丙酮活化过一硫酸盐性能及非自由基机制

利用丙酮活化过一硫酸盐(Peroxymonosulfate,PMS)氧化降解酸性橙7(AO7),考察了丙酮投加量、PMS浓度、初始pH值及共存阴离子等反应条件对AO7氧化降解的影响,探讨了丙酮/PMS反应体系中的反应机制.结果表明,当初始p H为9.0、n(PMS)/n(AO7)为17.5∶1、丙酮投加量为10 mmol·L-1时,反应30 min可使AO7的降解率达到99.8%.在丙酮/PMS的活化体系中,随着丙酮投加量、PMS浓度和p H的升高,AO7的降解率也逐渐增大,碱性条件下最有利于AO7的降解.自由基淬灭实验分析表明,单线态氧(1O2)是氧化降解AO7的主要活性物种.Cl-、CO2-3对丙酮/PMS体系中AO7的降解有促进作用,离子浓度越高,AO7降解速率越快,腐殖酸(HA)的加入对AO7的降解有轻微的抑制作用.紫外可见光谱分析表明,AO7分子中的偶氮键及萘环结构被破坏,从而得到降解.     

Ag改性石墨相氮化碳(g-C3N4)可见光辅助活化过一硫酸盐降解罗丹明B

采用煅烧法和光还原法制备出具有高活性的Ag/g-C₃N₄催化剂,并将其应用于可见光下活化过一硫酸盐（PMS）降解罗丹明B（RhB）废水.系统研究了实际因素RhB浓度、催化剂投加量、PMS剂量、pH值和可溶性无机阴离子对RhB降解效果的影响.结果表明,RhB的降解率随着催化剂投加量、PMS浓度的增加而增大,随着初始RhB浓度的增加而减小.弱酸性条件有利于反应活化PMS降解RhB,而中性或碱性条件都会减缓催化反应的进行.Ag/g-C₃N₄-2/Vis/PMS催化体系30 min内对RhB的去除率最高可达93.2%,分别是Ag/g-C₃N₄/Vis和单独PMS催化体系的4.0和3.7倍.体系催化活性的提高归因于Ag的表面等离子共振效应及基于硫酸根自由基的高级氧化技术与光催化技术的协同作用.不同阴离子对催化反应的影响不同,溶液中的Cl^-会对反应产生轻微的抑制作用,而H₂PO₄^-和HCO₃^-的出现大大抑制了催化性能.催化剂具有良好的稳定性,5次循环后仍能在30 min之内降解77.4%的RhB.此外,捕获实验和ESR测试结果表明,Ag/g-C₃N₄-2/Vis/PMS催化体系中存在·O₂^-、h⁺、¹O₂、SO₄^-·和·OH活性物种,并协同降解RhB污染物.     

UV/PMS降解水中罗丹明B的动力学及反应机理

采用紫外(UV)活化过硫酸氢钾(PMS)产生强氧化性硫酸根自由基(SO_4~·-)降解人工染料罗丹明B(RhB).考察了溶液初始p H、氧化剂剂量、RhB初始浓度、天然有机物(NOM)、Fe~(2+)浓度、自由基淬灭剂(甲醇和叔丁醇)及水体中常见阴离子对降解效果的影响,并探测反应体系中生成的无机阳离子及小分子有机酸的种类和浓度.结果表明,降解反应遵循准一级反应动力学,其降解速率受到溶液初始pH的显著影响,当溶液酸性越强或碱性越强时,RhB的降解效果越好,且酸性条件下降解效果优于碱性条件.同时,加大氧化剂剂量及降低底物浓度也会对RhB的降解起促进作用.体系中投加过渡金属Fe~(2+)可显著促进RhB的降解效果,当Fe~(2+)与PMS的浓度比为1∶1时,降解效果最佳.水体中的NO_3~-对RhB的降解有着显著的促进作用,而H_2PO_4~-、C_2O_4~(2-)、Cl~-和NOM则对RhB的降解有抑制作用.采用离子色谱分析了UV/PMS体系降解RhB所产生的NH_4~+,以及甲酸、乳酸、乙酸和草酸,推测RhB在UV/PMS体系中的降解主要是通过共轭结构的破坏、N-位脱乙基并伴有苯环结构的破坏进行的.综合分析表明,UV/PMS工艺可有效运用于罗丹明B污染水体的修复处理过程.     

核壳结构KNbO3@Co(OH)2的制备及其活化过一硫酸盐降解帕珠沙星的研究

制备了以KNbO₃为载体材料的Co（OH）₂复合材料并对其进行了详细的表征,分析了材料的组成成分、组成形态进而确定了其为核壳结构形貌的KNbO₃@Co（OH）₂.利用合成的样品作为催化剂活化过一硫酸盐（peroxymonosulfate,PMS）来降解帕珠沙星（pazufloxacin,PZF）,结果表明制备的催化剂对PZF的去除效率显著增加.讨论了不同初始PMS剂量对降解效率的影响,发现随着PMS增加可活化生成更多的硫酸根自由基（sulfate radicals,SO₄^·-）和羟基自由基（hydroxyl radicals,HO^·）来降解PZF,但继续增大PMS用量降解效率未见明显提升.酸性和中性pH值条件下利于反应活化PMS降解PZF,而碱性体系减缓反应,甚至强碱体系更易形成Co（OH）₂沉淀不利于反应体系中活性组分CoOH⁺的形成,大大抑制了催化性能.此外,在体系中加入淬灭剂叔丁醇（tert-Butanol,TBA）或者乙醇（ethanol,ETOH）进行自由基的淬灭实验,结果表明SO₄^·-自由基为体系降解PZF过程中主要贡献的自由基,而HO^·自由基的贡献较少.催化剂具有较好的稳定性5次循环之后仍能在10 min之内完全去除PZF.本研究提出了新的思路为制备其他载体的Co（OH）₂核壳结构提供参考依据,同时将该催化剂结合高级氧化技术应用到水体新兴有机污染物净化领域具有很好的应用前景.     

Co3O4/BiVO4复合阳极活化过一硫酸盐强化光电催化降解双酚A

采用静电纺丝法制备了Co_3O_4/BiVO_4复合薄膜电极,并以之为光阳极,在过一硫酸盐(PMS)辅助作用下开展了光电催化降解双酚A研究.结果表明,PMS在可见光下可显著强化Co_3O_4/BiVO_4复合阳极光电催化降解双酚A,在0.25 V外加偏压以及可见光照射下,当加入2 mmol·L-1PMS时,双酚A在2 h内的降解效率为96%.降解动力学常数为0.471 4 min-1.系统研究了PMS初始浓度、外加偏压对双酚A降解性能的影响.结果发现,双酚A在较低的PMS投加量和较低的外加偏压(0.25 V)下即可有效降解.采用电子自旋共振波谱仪鉴定体系的主要活性自由基为SO·-4和·OH.并进一步通过淬灭实验结果证明空穴、SO·-4和·OH起主要氧化作用.光电反应后的体系中未检测到金属离子溶出,可避免二次污染.