利用Fe?O?@伊利石催化剂实现高效可见光驱动的光芬顿降解苯酚：工艺优化、在橄榄榨汁厂废水处理中的应用及环境评估

《Journal of the Indian Chemical Society》：Efficient Visible-Light-Driven Photo-Fenton degradation of phenol using Fe 2O 3@illite catalyst: Process optimization, application to olive mill wastewater, and environmental assessment

本研究开发了基于摩洛哥A?t Mhamed地区沉积岩处理后的黏土（SCRT）的铁掺杂催化剂（5%Fe@SCRT），通过可见光光-Fenton反应实现了苯酚99%的高效降解。实验采用Box-Behnken设计优化了苯酚浓度（200 mg/L）、H2O2浓度（10 mM）和催化剂剂量（1 g/L）等参数，并验证了催化剂的稳定性（循环5次后铁溶出量<0.1 mg/L）和实际应用效果（橄榄油厂废水COD和酚类物质显著降低）。该催化剂成本低（$0.05/L），具有环境友好和可持续性特点，且通过FTIR、XRD、SEM-EDX等表征证实了其结构和化学稳定性。

　　
该研究聚焦于开发一种基于摩洛哥本地材料的低成本高效催化剂（5% Fe@SCRT），用于可见光辅助的光-Fenton降解工艺处理含酚废水。研究通过系统优化反应条件、表征催化剂结构、验证环境友好性，并拓展至实际工业废水处理，为解决全球范围内工业废水污染问题提供了创新方案。

### 1. 研究背景与意义
苯酚作为典型工业污染物，因其高毒性、难降解性及环境持久性成为全球治理重点。传统处理方法存在效率低、成本高或产生二次污染的缺陷。光-Fenton技术通过羟基自由基（·OH）实现高效降解，但需解决催化剂稳定性差、需紫外光等问题。本研究结合摩洛哥本地资源开发新型催化剂，并优化可见光驱动条件，在环保与经济性上取得突破。

### 2. 催化剂开发与表征
**材料制备**：以阿齐拉省A?t Mhamed地区的沉积泥岩为基底，通过热化学活化（500℃/4h）去除碳酸钙等杂质，再用盐酸活化获得SCRT材料，最后负载5% Fe?O?制备催化剂。该工艺显著降低材料中钙含量（从43.5%降至0.34%），同时提高铁含量至19.2%，增强催化活性位点。

**结构分析**：
- **XRD**：热化学活化后泥岩层状结构保留，出现铁氧化物特征峰（如300℃阶段出现FeO?相），证实铁负载均匀且结构稳定。
- **FTIR**：新特征峰560 cm?1证实形成Si-O-Fe键，原3430 cm?1羟基峰减弱，表明酸处理有效去除表面杂质。
- **SEM-EDX**：铁纳米颗粒均匀分布在泥岩表面（粒径约13-34 μm），铁含量达1.82%，且未观察到明显铁溶出（ICP检测<0.1 mg/L）。
- **物性参数**：经活化后比表面积提升至35.38 m2/g，孔容增加至0.11 cm3/g，且表面硅氧四面体层结构优化，利于离子交换与吸附。

### 3. 光-Fenton降解性能优化
**核心参数**：
- **苯酚浓度**：100-300 mg/L，降解率随浓度升高而下降，最佳200 mg/L时效率达99%。
- **H?O?浓度**：8-12 mM，10 mM时降解效率最高（与Fe2?氧化还原循环效率匹配）。
- **催化剂用量**：0.5-1.5 g/L，1 g/L时达到最佳光吸收效率与自由基生成速率平衡。

**协同机制**：
- **可见光激活**：Xenon灯（λ>400 nm）提供足够能量激发Fe3?至Fe2?，维持催化循环。相比UV光，降低能耗30%以上。
- **自由基捕获实验**：加入BQ（抑制·O??）、EDTA（抑制Fe2?）、AgNO?（抑制光电子）后，降解率分别下降至74.5%、35.5%、70.7%，证实·OH和·O??为主导自由基。
- **pH影响**：酸性环境（pH 3）时活性最佳，降解率99%；中性（pH>5）时因H?O?分解受阻，效率骤降至29.8%。

### 4. 催化剂稳定性与重复使用
**循环测试**（5次循环）：
- **降解率**：保持85%-96.4%，仅第五次COD降解率下降至68.9%，主要因有机中间体累积导致光散射增强。
- **表征验证**：循环后XRD仍显示Fe?O?特征峰，SEM显示铁颗粒分布均匀，无显著团聚或脱落。

**经济性分析**：
- **催化剂成本**：原料取自当地泥岩（0.01美元/kg），经活化与负载后总成本0.007美元/g。
- **处理成本**：1升废水处理总成本约0.05美元（含H?O?、电费等），仅为传统活性炭处理的1/5。

### 5. 实际废水处理验证
**橄榄油废水（OMW）处理**：
- **预处理**：FeCl?沉淀去除悬浮物后，COD从10584 mg/L降至5821 mg/L。
- **光-Fenton后处理**：COD进一步降至3522 mg/L，苯酚浓度从11163 mg/L降至460.66 mg/L，电导率仅上升11.1%，表明无显著二次污染。

**生态毒性评估**：
- ** lettuce种子发芽实验**：对照组发芽率100%，污染原液组仅19.3%，经处理后恢复至98.7%，证明出水符合灌溉标准（WHO限值0.001 mg/L）。

### 6. 技术创新与拓展方向
**创新点**：
- **本地资源利用**：泥岩取自摩洛哥偏远地区，原料成本降低90%，减少运输碳排放。
- **可见光兼容性**：无需昂贵紫外光源，利用自然光或LED照明即可实现，能耗降低40%。
- **双功能机制**：催化剂表面同时存在Fe3?/Fe2?氧化还原对（生成·OH）和Si-O-Fe锚定位点（增强吸附与稳定自由基）。

**应用前景**：
- **工业场景**：适用于石化、制药、食品加工等含酚废水处理，尤其适合发展中国家缺乏先进设备的情况。
- **组合工艺**：与电化学、膜分离联用可提升处理效率，如预处理阶段采用Fenton反应（FeCl?投加），光-Fenton阶段投加催化剂。
- **再生技术**：开发酸洗或紫外再生方案，可将催化剂循环次数提升至10次以上，成本进一步降低。

### 7. 环境与社会效益
- **资源循环**：利用矿业废弃物（泥岩）和副产物（如处理后的铁泥）填埋，减少固废堆积。
- **经济性**：每吨废水处理成本低于2美元，较传统活性炭法（5-8美元/吨）更具竞争力。
- **政策支持**：符合欧盟"资源效率计划"和我国"双碳"战略，为工业废水处理提供可复制模板。

### 8. 局限与改进建议
- **铁负载不均**：EDX检测显示外层铁含量（1.82%）低于理论值（5%），需优化负载工艺（如微乳液分散法）。
- **长周期稳定性**：建议开发表面包覆技术（如SiO?层），进一步提升抗中毒能力。
- **规模化验证**：需开展中试实验（如50 m3反应罐），评估实际运行中的pH波动和催化剂再生频率。

本研究通过材料创新与工艺优化，实现了从实验室到工业应用的跨越，为发展中国家提供了一种经济高效的水处理解决方案。其核心价值在于将矿业废弃物转化为环境友好型催化剂，同时通过可见光驱动降低技术门槛，为全球酚类污染治理提供了可推广的范式。