协同作用：纸浆污泥衍生生物炭上的铁（Fe）活性位点通过单线态氧增强途径激活过氧单硫酸盐，从而高效降解2,4,6-三氯苯酚

《Journal of Water Process Engineering》：Synergistic Fe S sites on paper sludge-derived biochar activating peroxymonosulfate via a singlet oxygen-enhanced pathway for efficient 2,4,6-trichlorophenol degradation

催化过硫酸盐降解三氯苯酚：Fe-S共掺杂生物炭的制备、机理与经济性评估

　　本文研究了一种利用废纸浆污泥制备的铁-硫共掺杂生物炭（Fe-S-SBC800）在过硫酸盐（PMS）活化过程中对三氯苯酚（TCP）降解的催化性能及其机理。该研究旨在解决传统TCP处理方法存在的效率低、处理时间长、能耗高以及产生二次污泥等问题，探索一种高效、经济且可持续的废水处理技术。通过实验与理论计算的结合，研究人员揭示了Fe-S-SBC800催化剂在PMS活化过程中如何通过非自由基路径（特别是单线态氧¹O?）实现对TCP的高效降解，同时保持较高的矿化效率和催化剂的可重复使用性。此外，该研究还评估了催化剂在实际水体中的应用潜力，并对其经济性进行了初步分析，显示出其在工业废水处理中的广阔前景。

首先，研究团队从废纸浆污泥中合成Fe-S-SBC800催化剂，这是一种“废物变资源”的策略。在实验中，Fe-S-SBC800表现出优异的TCP降解能力，能够在8分钟内实现超过99%的去除率，并且在30分钟内可去除95%以上的TCP和67%的化学需氧量（COD），同时几乎不发生铁离子的溶出。这表明Fe-S-SBC800不仅具备高效的催化活性，还具有良好的稳定性和环境友好性，为实际应用提供了坚实的基础。

从机理分析来看，Fe-S-SBC800的催化性能与其表面的Fe-S活性位点、氧空位和碳缺陷密切相关。这些因素共同促进了Fe(II)/Fe(III)的循环反应，并调控了催化剂的表面电子特性，从而有利于¹O?的生成而非自由基路径。通过X射线光电子能谱（XPS）和电子顺磁共振（EPR）等实验手段，研究人员进一步确认了Fe-S-SBC800在PMS活化过程中能够生成多种活性氧物种（ROS），包括硫酸根自由基（SO?•^?）、羟基自由基（•OH）、超氧自由基（•O?^?）以及单线态氧（¹O?）。这些ROS在TCP的降解过程中起到关键作用，其中¹O?的贡献尤为显著。

为了更深入地理解Fe-S-SBC800的催化机制，研究团队采用密度泛函理论（DFT）计算，模拟了Fe-S-SBC800表面的电子结构和PMS活化路径。结果显示，Fe-S活性位点能够有效吸附PMS分子，并通过电子转移促进其分解，从而生成多种ROS。Fe-S-SBC800表面的缺陷结构和硫化物的存在不仅增强了PMS的吸附能力，还提高了电子传递效率，这有助于维持Fe(II)/Fe(III)的循环反应，从而延长催化剂的使用寿命。同时，这些结构也促进了¹O?的生成，使该催化剂在处理有机污染物时表现出良好的选择性。

在实际应用方面，研究团队测试了Fe-S-SBC800在不同水体中的性能，包括天然水体和工业废水。结果表明，该催化剂在实际水体中依然保持了较高的TCP去除效率，且其对其他有机污染物（如四环素、双酚A和诺氟沙星）也有一定的降解能力。此外，Fe-S-SBC800在五次循环使用后仍能保持一定的活性，表明其具有良好的再生性能。这为该催化剂在实际废水处理中的推广和应用提供了有力支持。

从经济角度来看，Fe-S-SBC800的制备成本非常低，约为0.03–0.07美元/千克，而运行成本则在1.2–1.8美元/立方米之间。这种低成本、高效率的特性使其在大规模应用中具备显著的优势。同时，由于其原料为工业废料，其使用不仅减少了废弃物的处理成本，还通过“废物变资源”的方式实现了资源的循环利用，符合可持续发展的理念。

此外，研究团队还通过液相色谱-质谱（LC–MS）和ECOSAR预测分析了TCP降解过程中生成的中间产物的毒性。结果显示，随着降解反应的进行，中间产物的毒性逐渐降低，特别是在¹O?主导的反应路径下，TCP被逐步矿化为小分子有机酸，甚至最终转化为无害的CO?和H?O。这一发现进一步验证了Fe-S-SBC800在环保方面的优越性，即在高效降解污染物的同时，还能降低其对生态环境的潜在危害。

总的来说，本文的研究成果表明，Fe-S-SBC800作为一种新型的低成本、可持续的催化剂，在PMS活化体系中能够高效降解TCP等有机污染物。其优异的催化性能来源于Fe-S活性位点与碳缺陷之间的协同作用，以及对ROS生成路径的调控。该催化剂在多种水体环境中均表现出良好的适应性，且具有较高的可重复使用性，为工业废水处理提供了一种新的解决方案。同时，其低生产成本和运行成本使其具备在实际工程中大规模应用的潜力。

本研究的意义不仅在于开发了一种高效的废水处理技术，还在于揭示了Fe-S-SBC800催化剂在PMS活化过程中的工作机理。这些发现为未来设计具有特定自由基/非自由基选择性的PMS活化系统提供了理论依据和实验支持。此外，Fe-S-SBC800的制备方法具有良好的可扩展性，其原料来源广泛且易于获取，这为工业界提供了一种可行的资源回收和污染治理相结合的策略。

在技术层面，Fe-S-SBC800的合成方法相对简单，仅需通过水热-热解两步工艺即可完成。这种方法不仅减少了能源消耗，还降低了对昂贵试剂的依赖，从而进一步降低了生产成本。同时，Fe-S-SBC800的结构特点（如多孔性和高比表面积）使其能够有效吸附和活化PMS，促进ROS的生成。这种结构特性使其在处理复杂污染物混合体系时表现出良好的适应性，能够应对不同类型的有机污染物。

在环境治理方面，Fe-S-SBC800的应用不仅限于实验室条件，更适用于实际工业废水处理场景。特别是在纸浆工业中，Fe-S-SBC800可以将废纸浆污泥转化为具有高催化活性的材料，实现废物的资源化利用。这种“废物变财富”的策略不仅减少了工业废弃物的处理负担，还为废水治理提供了新的思路。同时，Fe-S-SBC800在处理过程中对金属离子的溶出控制良好，这有助于减少二次污染的风险，提升其在实际应用中的安全性。

此外，该研究还强调了Fe-S-SBC800在处理不同水体时的适应性。尽管某些背景离子（如H?PO?^?和HCO?^?）会对降解效率产生一定影响，但Fe-S-SBC800依然能够在多种水体中保持较高的去除率。这表明，该催化剂具备一定的抗干扰能力，能够应对复杂水质条件下的污染治理需求。

从生态角度来看，Fe-S-SBC800的使用有助于减少环境中的有害污染物，同时降低对传统化学试剂的依赖，从而减少对生态环境的进一步破坏。此外，通过模拟和实验分析，研究人员发现Fe-S-SBC800能够有效促进TCP的逐步矿化，生成低毒或无毒的产物，这为实际应用中的环境安全提供了保障。

综上所述，本文的研究不仅为PMS活化技术提供了新的催化剂设计思路，还为工业废水处理领域提供了一种可行的解决方案。Fe-S-SBC800的高效催化性能、良好的可重复使用性、低生产成本以及对环境友好的特性，使其成为一种具有广泛应用前景的绿色催化剂。未来，随着进一步的优化和推广，Fe-S-SBC800有望在实际工业废水处理中发挥重要作用，推动环保技术的发展。