溴化法快速分解尿素制备超纯水：pH依赖性反应动力学与机制的创新解析及其与氯化法的对比研究

为解决超纯水(UPW)生产中尿素污染难降解的问题，研究人员系统比较了溴化(FAB)与氯化(FAC)处理尿素的动力学机制。研究发现溴化在pH 10.5时效率最高，仅需3分子Br2 即可实现μg/L级尿素快速矿化，较氯化节省40%氧化剂用量，为半导体等行业提供更经济高效的解决方案。

　　

在半导体制造和生物医药等领域，超纯水(UPW)的纯度直接决定产品质量。然而，作为水中顽固性污染物，尿素因其小分子量(60.06 Da)和抗氧化特性，常占UPW总有机碳(TOC)的32-80%。传统工艺如离子交换、反渗透等仅能去除50-70%尿素，而高级氧化工艺(AOPs)因尿素与羟基自由基(•OH)反应速率常数低(7.9×10⁵
M^-1
s^-1
)，需消耗大量电能。更棘手的是，残留尿素会在晶圆表面形成杂质，引发电路短路或性能变异。韩国国立研究团队在《Journal of Hazardous Materials》发表的研究，首次揭示了溴化法在超纯水制备中的突破性优势。

研究采用动力学实验与产物分析相结合的策略，通过DPD/KI法监测氧化剂衰减，利用LC-MS/MS追踪卤化尿素中间体，结合IC检测NH₄
⁺
、NO₂
^-
等终产物。实验涵盖10-100 μM高浓度和<1 μM痕量水平，模拟实际UPW生产条件。

反应动力学差异
比较溴化与氯化体系发现：Br₂
在pH 10.5时反应速率达峰值，较HOCl在pH 6.0的速率快3倍。关键在于初始卤化步骤——Br₂
攻击尿素生成单溴尿素(H₂
NCONHBr)的速度比Cl₂
快2个数量级。

pH依赖性机制
酸性条件(pH≤5)促进首步卤化但需8分子Br₂
完成矿化；中性至碱性环境(pH≥6)通过降低卤化尿素pK
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促进多卤化，仅需3分子Br₂
即可将尿素转化为CO₂
、N₂
等无害产物。

痕量处理优势
在μg/L级处理中，溴化法氧化剂/尿素摩尔比仅为氯化的60%。质谱数据揭示溴化更易生成N₂
O而非毒性卤胺，且副产物NH₄
⁺
浓度降低47%。

该研究证实溴化法通过"卤化-水解"协同路径实现尿素高效矿化：单溴尿素经连续溴化形成三溴中间体后，C-N键断裂生成Br₂
NCOO^-
并最终矿化。相较于氯化法产生的NCl₃
等风险物质，溴化体系更安全。研究为半导体行业提供了一种能耗降低30%、处理时间缩短80%的UPW制备方案，同时为含溴废水回用提供了理论依据。