旋转填充床制备铁纳米颗粒活化过硫酸盐高效降解水中甲基橙的研究

本研究针对印染废水中有机污染物甲基橙(MO)难降解问题，创新性地采用旋转填充床(RPB)制备铁纳米颗粒(Fe0)活化过硫酸盐(PS)体系。研究发现RPB-Fe0/PS体系在pH=3、Fe0剂量0.028 g/L、PS浓度0.24 g/L条件下，20分钟内MO降解率高达93%，显著优于传统反应器制备的Fe0（47%）。该研究为工业废水处理提供了高效绿色的高级氧化技术方案。

　　

研究背景与意义
印染废水中的甲基橙(MO)因其稳定的偶氮结构和强毒性成为环境治理难题。传统高级氧化工艺依赖羟基自由基(HO•)，但新兴的硫酸根自由基(SO₄•^?)技术因其更长半衰期和更广pH适应性备受关注。铁纳米颗粒(Fe⁰)作为过硫酸盐(PS)的理想活化剂，其制备工艺直接影响催化效率。台湾省的研究团队创新性地将旋转填充床(RPB)这一强化传质设备应用于Fe⁰制备，通过独特的"叶片-填料"结构实现纳米颗粒的均一可控合成，为解决工业废水处理瓶颈提供了新思路。

关键技术方法
研究采用RPB反应器（内径3.9 cm，外径12.5 cm）制备Fe⁰，通过液相还原沉淀法在21°C下将FeCl₂与NaBH₄溶液（流速均为0.6 L/min）在1400 rpm转速下反应。降解实验在25°C进行，通过伪一级动力学模型拟合数据，并采用自由基淬灭实验区分SO₄•^?和HO•的贡献度。

研究结果

1. 材料特性
   RPB制备的Fe⁰粒径仅45 nm，比表面积大，在PS活化中展现出显著优势。与传统批次反应器制备的Fe⁰相比，其MO降解效率提升近一倍（93% vs 47%）。

2. 工艺优化

• pH影响：酸性条件（pH=3）最有利，因Fe⁰腐蚀加速Fe²⁺释放（Fe⁰ + 2H⁺ → Fe²⁺ + H₂↑），促进PS活化。
• 剂量效应：Fe⁰最佳剂量为0.028 g/L，过量（>0.056 g/L）会导致Fe²⁺与SO₄•^?的无效消耗（Fe²⁺ + S₂O₈^2? → Fe³⁺ + SO₄^2?）。
• 自由基机制：淬灭实验证实SO₄•^?贡献率高于HO•，因其对MO共轭结构的特异性攻击能力。

结论与展望
该研究证实RPB-Fe⁰/PS体系具有三大优势：（1）RPB的强剪切力实现纳米颗粒均一制备；（2）Fe⁰持续再生Fe²⁺（Fe⁰ + 2Fe³⁺ → 3Fe²⁺）避免铁泥沉淀；（3）SO₄•^?主导的降解路径效率更高。这项工作为工业废水处理提供了设备-材料-工艺协同创新的典范，相关成果发表于《Powder Technology》。未来研究可探索RPB参数（如转速、填料结构）与纳米材料性能的构效关系，进一步优化处理成本。