利用铁碳催化剂增强气液传质，从而在液相O?/UV系统中更有效地降解氯苯

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Enhancing Gas-Liquid Mass Transfer with an Iron-Carbon Catalyst for Superior Chlorobenzene Degradation in a Liquid-Phase O?/UV System

氯苯在Fe-C催化剂协同UV活化臭氧的液相高级氧化系统中去除率达80.5%，传质系数提升12.71倍，羟基自由基（67.7%）和超氧自由基（25%）主导降解，中间产物毒性均低于氯苯。该研究揭示了催化剂作为气液传质桥梁的作用，为优化含氯挥发性有机物处理提供了机制支撑。

　　本研究聚焦于氯化挥发性有机化合物（CVOCs）的处理技术，特别是液相高级氧化工艺。该工艺因其强大的氧化能力和无二次污染的特点，受到广泛关注。然而，其较低的气液传质效率仍是限制其应用的重要瓶颈。为此，研究团队开发了一种铁碳（Fe-C）复合催化剂，并构建了一个以紫外光（UV）激活臭氧（O?）为核心的液相高级氧化系统，旨在同时提升典型CVOCs——氯苯（CB）的气液传质效率和氧化降解效果。

实验结果表明，该气液系统对CB的去除效率达到了80.5%，显著优于纯气相（O? + UV）和气固相（O? + UV/Fe-C）系统。在O? + UV/Fe-C/H?O系统中，Fe-C催化剂（添加量为2.0 g/L）使CB的传质系数K?a提升至0.00686 s?1，比纯水系统的传质系数高出12.71倍。UV光激活O?在液相中生成大量羟基自由基（·OH）和超氧自由基（·O??），这些自由基在CB去除过程中发挥了重要作用，分别贡献了67.7%和25%的去除效果。通过气相色谱-质谱联用（GC-MS）分析，研究人员识别了CB降解过程中产生的气相和液相有机中间体，并利用ECOSAR软件评估了其毒性。评估结果表明，大多数中间体的毒性低于原始CB，意味着该系统的生态风险显著降低。最后，研究团队分析了CB的降解机制，为高效去除CVOCs的液相深度氧化系统提供了理论依据和优化方向。

氯化挥发性有机化合物因其广泛的环境分布和潜在的危害性，成为当前环境科学领域的研究重点。这些化合物在室内涂料、制药合成、化石燃料燃烧以及废弃物焚烧等多个行业中被广泛应用，导致大量排放，进而污染大气环境。更严重的是，CVOCs具有较高的毒性，已被证实具有致癌潜力，并且在环境中的持久性较强。这些特性不仅导致长期的生态污染，也对公众健康构成直接威胁。目前，湿法洗涤、热焚烧和催化氧化是处理CVOCs的常用技术。然而，传统的气固催化氧化技术在实际应用中仍面临诸多挑战，通常需要高活性催化剂或外部能量输入才能驱动反应。相比之下，催化氧化技术具有更高的效率、更低的能耗以及更广泛的适用性。

液相高级氧化技术以臭氧（O?）作为氧化剂，其原理与芬顿类反应相似，通过催化剂或紫外光的作用，将溶液中的O?转化为强氧化性的羟基自由基（·OH）。这些自由基能够无选择性地将有机污染物氧化为无害的产物，如二氧化碳（CO?）和水（H?O）。在臭氧液相高级氧化系统中，CVOCs从气相转移到液相，随后在溶液中直接或间接地被O?氧化。目前，大多数研究集中在溶液中O?对CVOCs的降解过程，而对气液传质在降解过程中的作用研究较少。氯苯作为CVOCs的代表性模型化合物，因其结构简单、化学行为明确以及具有代表性的疏水性特征（如低溶解性和高传质阻力）而被广泛用于研究催化系统中的CVOCs处理。芳香环上单个氯取代基的存在使得其转化路径具有可预测性，从而为机理研究和工艺优化提供了良好的平台。

本研究提出了一种通过引入吸附剂颗粒来促进气液传质的策略。碳基材料，如活性炭和碳纳米管，因其较大的比表面积、可调节的表面性质以及环保特性，被认为是构建兼具吸附和催化功能的多功能材料的理想载体。此外，液相中发生的化学反应也有助于VOC的传质过程，因为VOC在溶液中的消耗会增强气液两相之间的浓度梯度。活性氧物种（ROS）能够迅速与溶液中的VOC反应，而紫外光和金属氧化物催化剂，如环保、低成本的铁基催化剂，能够促进O?向ROS的转化。

为了提升臭氧液相高级氧化系统中CB的降解效果，本研究在系统中引入了紫外光和负载活性炭的铁基催化剂（Fe-C）。通过对比纯气相、气固相和气液相系统中CB的降解效果，研究人员评估了CB和O?的去除效率。同时，还研究了Fe-C催化剂对CB在气液两相之间传质的提升作用，并对其进行了量化分析。此外，还分析了液相中ROS的种类和浓度，以及它们对CB降解的贡献。最后，通过GC-MS检测到的中间有机物，研究人员推导了CB在O?+UV/Fe-C/H?O系统中的降解机制，并利用ECOSAR软件预测了中间产物的毒性效应。

本研究的主要创新点在于对O?+UV/Fe–C/H?O系统中CB降解的协同过程进行了全面的机理阐明。首先，该研究区分了系统中各组分的作用，揭示了Fe–C催化剂在提升CB吸收方面的独特功能，即其作为高效的“传质桥梁”，而紫外光则主要作为O?的激活剂。其次，通过量化分析，研究发现羟基自由基（·OH）和超氧自由基（·O??）分别对CB的去除贡献了67.7%和25%。最后，通过识别降解路径并结合毒性评估，研究确认了该系统在降低生态风险方面的潜力。该研究为设计高效液相工艺以处理疏水性VOCs提供了战略性的见解。

本研究不仅在技术层面取得了突破，也在理论层面提供了新的视角。通过引入Fe-C催化剂，系统实现了对CB更高效的传质和氧化降解。这种协同效应使得系统在处理疏水性VOCs方面具有显著优势。同时，通过分析ROS的种类和浓度，研究人员揭示了自由基在降解过程中的关键作用。这一发现为优化高级氧化工艺提供了新的思路，也为实际应用中提升处理效率奠定了基础。

此外，本研究还关注了CB降解过程中产生的中间产物的生态影响。通过GC-MS分析，研究人员识别了多种有机中间体，并利用ECOSAR软件对其毒性进行了评估。结果表明，这些中间体的毒性低于原始CB，意味着系统在处理CVOCs时不仅能够有效去除污染物，还能降低其对生态环境的潜在威胁。这一发现对于开发环保型处理技术具有重要意义，同时也为政策制定者提供了科学依据。

本研究的成果对于推动CVOCs处理技术的发展具有深远影响。通过构建高效的气液传质系统，研究团队不仅提升了臭氧液相高级氧化技术的处理能力，还为该技术在实际工程中的应用提供了理论支持。此外，通过揭示自由基在降解过程中的作用，研究为优化反应条件和催化剂设计提供了新的方向。这一研究不仅在实验室条件下取得了成功，也为未来的工业化应用奠定了基础。

从环保角度来看，该系统的应用能够有效减少CVOCs对大气环境的污染，同时降低其对生态系统的潜在威胁。由于传统气固催化氧化技术在实际应用中面临诸多挑战，而液相高级氧化技术则因其高效、节能和环保等优势，成为一种更具前景的处理方案。通过引入Fe-C催化剂，系统实现了对CB的高效去除，同时保持了较高的稳定性。这一成果为开发更高效的CVOCs处理技术提供了新的思路。

在实际工程应用中，该系统的高效性和稳定性具有重要价值。通过优化气液传质过程，系统能够更有效地将CB从气相转移到液相，从而提高其与O?的反应效率。同时，通过合理设计催化剂和反应条件，系统能够实现对CB的高效降解。这一研究不仅在实验室条件下验证了系统的可行性，也为实际工程中的应用提供了理论支持和实践指导。

综上所述，本研究通过引入Fe-C催化剂和紫外光激活臭氧，构建了一个高效的液相高级氧化系统，用于处理氯苯等CVOCs。该系统在气液传质和氧化降解方面均表现出显著优势，能够有效提升CB的去除效率，并降低其对生态环境的潜在风险。研究结果不仅为CVOCs处理技术的发展提供了新的方向，也为环保型处理工艺的设计和优化提供了科学依据。未来，随着技术的不断进步和应用的深入，该系统有望在实际工程中发挥更大的作用，为解决CVOCs污染问题提供有力支持。