连续搅拌釜反应器中Fe(II)/氯驱动高级氧化降解纺织染料的优化：Fe(IV)?氧中间体的流动性能与作用机制

本研究针对传统Fenton工艺pH适用范围窄、铁泥沉淀等问题，创新性采用Fe(II)/氯体系在连续搅拌釜反应器(CSTR)中降解难降解纺织染料Cibacron Green H3G。通过调控氯流速、Fe(II)浓度等参数，揭示Fe(IV)=O2+为关键活性物种，在pH～3条件下实现90-100%染料脱色，为工业废水处理提供高效连续流解决方案。

　　

纺织染料废水因其复杂的芳香结构和抗生物降解性，一直是水处理领域的重大挑战。传统Fenton工艺虽能有效降解污染物，但受限于酸性pH条件（～3-3.5）和铁泥产生，且反应速率较慢（k～10² M^?1s^?1）。近年来，Fe(II)/氯体系因其快速反应动力学（k～10⁴ M^?1s^?1）、宽pH适用范围（可达pH 6）和低成本优势备受关注。然而，该体系在连续流反应器中的应用及活性物种作用机制尚未阐明。

为解决这一科学问题，来自阿尔及利亚的研究团队在《Separation and Purification Technology》发表研究，首次将Fe(II)/氯体系应用于实验室规模连续搅拌釜反应器(CSTR)，以工业染料Cibacron Green H3G(CG-H3G)为模型污染物，系统考察了氯流速(40-250 μL/s)、Fe(II)浓度、pH(3-7)、温度(20-50°C)及不同水质基质（海水、河水、废水等）对降解效率的影响。通过对比Fe(II)/过碳酸盐、Fe(II)/过硫酸盐体系，结合总有机碳(TOC)分析，揭示了Fe(IV)=O²⁺的关键作用及工艺优化路径。

关键技术方法包括：1）设计CSTR反应器匹配快速反应动力学；2）采用流动注射分析实时监测污染物降解；3）通过自由基淬灭实验（叔丁醇、苯甲酸等）鉴别活性物种；4）多水质基质对比实验评估实际应用潜力。

主要研究结果

1. 氯单独作用的流动性能：纯氯体系对CG-H3G降解效率有限，证实染料具有强抗直接氯化能力。
2. Fe(II)/氯协同效应：氯流速与Fe(II)浓度显著影响降解效率，最佳条件下实现90-100%染料转化。酸性环境(pH～3)最有利于Fe(IV)=O²⁺生成，其贡献率通过PMSO探针实验证实。
3. 自淬灭现象：过量Fe(II)(>100 μM)会导致Fe(IV)自我消耗，降低氧化效率。
4. 温度双重效应：高温(50°C)在高氯流速下加速反应，但在低氯条件下抑制降解。
5. 水质基质影响：海水中的卤素离子与废水中有机物显著改变反应路径，河水中天然有机物降低效率28%。
6. 对比实验：Fe(II)/氯体系降解效率显著优于Fe(II)/过碳酸盐和Fe(II)/过硫酸盐体系，尤其在宽pH范围内保持稳定性。
7. 矿化分析：TOC最大去除率28%（250 μL/s氯流速），表明需辅助氧化剂实现完全矿化。

结论与意义
该研究首次证实CSTR中Fe(II)/氯体系的连续流处理可行性，阐明Fe(IV)=O²⁺而非传统认为的·OH是主要活性物种。通过建立最优操作窗口（pH～3，Fe(II)/氯摩尔比0.2），解决了传统AOPs的pH限制问题。Merouani等发现的高氯流速下温度正效应机制，为工业放大提供重要参数依据。尽管存在部分矿化限制，该体系在处理高浓度、难降解纺织废水方面展现出显著优势，特别是对含有卤素离子的特殊水质（如海水印染废水）具有独特适应性。研究为开发基于Fe(IV)的新型高级氧化技术奠定理论基础，推动水处理工艺向连续化、低能耗方向发展。