通过内源性铁转化在原位合成基于煤气化细渣的催化剂，以实现高效过硫酸盐活化：性能与机理研究

《Journal of Environmental Economics and Management》：In situ synthesis of coal gasification fine slag-based catalyst by endogenous iron transformation for efficient peroxydisulfate activation: performance and mechanism insights

煤化学工业产生的固体废渣和废水处理难题被转化为催化剂，通过有机酸浸出、还原沉淀和煅烧，成功将煤气化细渣（CGFS）中的内源铁转化为Fe?O?，制备出高效催化剂Fe-CGFS。该催化剂在20分钟内实现苯酚97.26%去除率，铁溶出量低至0.021 mg/L，且在pH3-11和多种阴离子共存下表现稳定。机理研究表明表面氧官能团和Fe物种协同作用，O??·为主要ROS，理论计算显示吸附亲和力提升56.3%。该成果为工业废渣高值化利用和高级氧化工艺催化剂设计提供新策略。

　　在煤炭化学工业的快速发展背景下，固体废弃物和废水的大量产生已成为资源回收与环境治理面临的重要挑战。为了应对这一问题，研究人员提出了一种低成本且环保的策略，将煤气化细渣（Coal Gasification Fine Slag, CGFS）转化为高效的催化剂（Fe-CGFS）。该策略通过调控CGFS内部的铁元素，使其转化为具有催化活性的表面位点（Fe?O?）。实验结果表明，Fe-CGFS在过硫酸盐（PDS）活化过程中表现出优异的性能，能够在20分钟内实现97.26%的苯酚去除率，并具有0.1159 min?1的反应速率常数，同时铁元素的释放量仅为0.021 mg/L，显示出其良好的稳定性与实用性。此外，该催化剂在广泛的pH范围内（3-11）以及多种共存阴离子的条件下均表现出出色的适用性，进一步拓展了其在实际应用中的潜力。

为了实现这一目标，研究人员对CGFS进行了系统的处理。首先，通过有机酸浸出的方法去除其中的非铁成分，使铁元素富集于CGFS的表面。接着，利用还原沉淀技术将铁元素转化为具有催化活性的形态，如Fe?O?。最后，通过煅烧过程进一步优化催化剂的结构和性能。整个过程不仅避免了对强酸或强碱的依赖，减少了环境污染的风险，还实现了CGFS的高效利用，使其成为一种具有价值的资源。该方法为废弃物的高附加值利用提供了一条可持续的路径，同时为基于过硫酸盐的高级氧化工艺（AOPs）催化剂的设计提供了新的思路。

CGFS作为煤气化过程中的主要固体副产物，主要由无机铝硅酸盐和残余碳（RC）组成。在煤气化过程中，高温高压的环境使RC具有高度发达的孔隙结构，从而提升了其吸附能力。此外，原始煤中的金属元素在CGFS中进一步富集，使其富含铁、铝、钙等多种金属成分。这些特性使得CGFS在资源利用方面具有广阔的应用前景。然而，传统的处理方法，如填埋或堆放，不仅浪费资源，还可能引发金属元素的渗出，对环境造成潜在危害。因此，开发一种高效、经济的CGFS利用策略成为当前研究的热点。

目前，针对CGFS的资源利用研究主要集中在建筑材料、共燃、残余碳的分离以及高附加值材料的制备等方面。然而，这些方法往往需要复杂的工艺流程或高昂的成本，尤其是在处理CGFS这种成分复杂、结构特殊的废弃物时，使得其实际应用面临诸多困难。因此，探索一种能够同时利用CGFS中的多孔碳和内部金属元素的策略显得尤为重要。该策略不仅可以提高资源利用率，还能减少对环境的负面影响，实现废弃物的高附加值转化。

同时，煤气化废水（Coal Gasification Wastewater, CGW）作为另一个重要的副产物，其处理难度同样不容忽视。CGW中含有大量的有机化合物，如多核芳香烃和苯酚，以及多种无机物质，如氨。这些污染物的存在使得CGW的处理成为一项具有挑战性的任务。在此背景下，基于过硫酸盐（PDS或PMS）的高级氧化工艺（AOPs）因其强氧化能力和广泛适用性而逐渐成为一种有效的处理技术。然而，这类工艺的污染物去除效率往往依赖于催化剂的性能。因此，开发高效、稳定的催化剂成为提升AOPs处理效果的关键。

当前AOPs中常用的催化剂包括金属及其氧化物、碳基材料以及金属-碳复合材料。金属基催化剂因其多样的晶体结构和电子特性，通常表现出较高的催化活性。然而，其在实际应用中可能受到金属渗出、成本高昂以及对pH值敏感等问题的限制。相比之下，碳基催化剂因其广泛的可得性、良好的稳定性和优异的吸附性能而被广泛使用，例如活性炭、生物炭、碳纳米管等。金属-碳复合材料则试图结合两者的优点，以实现低成本催化剂的合成和高效的污染物去除。然而，大多数已报道的复合材料仍然依赖于外部金属源，并且需要复杂的制备过程，这不仅增加了经济成本，还对环境造成了一定压力。

值得注意的是，已有研究表明，CGFS中的残余碳具有良好的吸附能力，主要归因于其高度发达的孔隙结构和较大的比表面积。同时，CGFS中富集的铁元素也是一种常见的金属成分，广泛用于催化材料的制备，显示出其在AOPs中的巨大潜力。因此，CGFS中同时存在的多孔碳和铁元素为实现金属-碳复合催化剂的原位合成提供了独特的基础。这种原位合成方式不仅避免了对额外金属源的依赖，还简化了催化剂的制备过程，为废弃物的高附加值利用开辟了新的途径。

本研究提出了一种创新的绿色工艺，通过有机酸浸出、选择性还原沉淀和煅烧等步骤，将CGFS转化为高性能的催化材料（Fe-CGFS）。该工艺的关键在于对CGFS内部铁元素的调控，使其在不引入外部铁源的情况下转化为具有催化活性的形态。通过实验验证，Fe-CGFS在PDS活化体系中表现出卓越的性能，能够快速有效地去除有机污染物，如苯酚。实验结果表明，在20分钟内苯酚的去除效率可达97.26%，反应速率常数为0.1159 min?1，同时铁元素的释放量仅为0.021 mg/L，显示出其良好的稳定性和环境友好性。

此外，该催化剂在广泛的pH范围内（3-11）以及多种共存阴离子的条件下均表现出出色的适用性。这一特性使其在实际应用中具有更高的灵活性，能够适应不同的水处理环境。通过机制研究，研究人员发现，Fe-CGFS的催化活性主要来源于其表面的含氧官能团和铁物种。这些表面活性位点在PDS活化过程中能够生成主要的活性氧物种（ROS），如O??，从而促进污染物的降解。同时，Fe-CGFS的多孔结构和优异的吸附性能有助于表面复合物的形成和电子转移过程，进一步提高其催化效率。

在理论计算方面，研究人员发现，Fe?O?和CaCO?的协同作用显著增强了Fe-CGFS对苯酚的吸附亲和力。通过计算，苯酚的吸附能从E_ads = -0.728 eV提升至-1.431 eV，显示出Fe-CGFS在吸附性能方面的显著提升。这一结果不仅验证了Fe-CGFS在实际应用中的高效性，还为其在AOPs中的广泛应用提供了理论支持。

综上所述，本研究开发了一种基于CGFS的新型催化剂（Fe-CGFS），通过调控其内部铁元素，实现了对PDS的高效活化，从而提升了对有机污染物的去除能力。该策略不仅避免了对强酸或强碱的依赖，减少了环境污染的风险，还为CGFS的高附加值利用提供了一条可持续的路径。此外，Fe-CGFS在广泛pH范围和多种共存阴离子条件下的适用性，使其在实际水处理中具有更高的灵活性和稳定性。通过实验和理论计算的结合，研究人员进一步揭示了Fe-CGFS/PDS体系的催化机制，为未来催化剂的设计和优化提供了重要的参考。