机械化学力驱动煤气化细渣内源铁物种活化及其对酚类污染物的氧化去除机制研究

针对煤气化细渣(CGFS)资源化利用难题，研究人员通过机械化学法调控内源铁物种迁移，制备磁性复合材料(Fe-MCGFS-800)，其在过一硫酸盐(PMS)体系中实现93.1%双酚A(BPA)降解率，揭示非自由基路径主导机制，为固废高值化利用提供新策略。

　　

随着全球能源需求增长，煤气化技术作为比传统燃煤更清洁的利用方式备受关注，但其副产物煤气化细渣(CGFS)年排放量超3000万吨，造成严重生态环境压力。CGFS富含铝硅酸盐矿物和残碳，现有研究多聚焦碳-灰分离制备吸附材料，却忽视了其中8.44%的Fe₂O₃等金属元素的催化潜力。尤其内源铁物种被铝硅酸盐包裹导致活性受限，如何通过绿色方法激活这些"沉睡"的金属资源成为关键科学问题。

宁夏煤化工基地的研究团队创新性地采用机械化学法-络合-煅烧联用工艺，以单宁酸(TA)为络合剂，成功制备磁性复合材料Fe-MCGFS-800。通过高能球 milling破坏铝硅酸盐矿物的包裹结构，促使内源铁物种迁移重组，形成含量达34%的活性铁中心。该材料在PMS体系中60分钟内实现93.1%的BPA降解率，动力学速率常数达0.0418 min^-1，性能显著优于传统催化剂。

关键技术包括：1) 响应面法优化复合材料制备条件；2) 同步辐射等技术追踪铁物种迁移路径；3) 电子顺磁共振(EPR)检测活性氧物种(ROS)；4) 电化学测试揭示电子转移机制。

研究结果揭示：

1. 材料设计与优化：球 milling使CGFS中微球形颗粒解离，TA络合促进铁物种向表面迁移，800℃煅烧形成Fe⁰/Fe²⁺/Fe³⁺多价态共存体系(图S1)。
2. 结构表征：BET显示材料具有312 m²/g比表面积和0.38 cm³/g孔容的丰富介孔结构，XPS证实C=O基团与铁物种协同作用(图2)。
3. 降解性能：在pH=3-9范围内保持80%以上BPA去除率，淬灭实验证明非自由基的¹O₂为主导活性物种(图5)。
4. 机制解析：球 milling打破Fe-O-Si键，形成Fe-N-C活性中心，促进PMS通过电子转移路径活化，DFT计算显示BPA在Fe位点的吸附能降低1.8 eV(图7)。

该研究突破性地实现了"以废治污"的双重目标：一方面通过机械化学法唤醒固废中的"休眠"铁资源，避免酸洗造成的二次污染；另一方面开发的Fe-MCGFS-800在宽pH范围和复杂水体中均表现优异，为CGFS规模化应用提供技术支撑。论文发表于《Journal of Environmental Management》，其创新点在于首次阐明铝硅酸盐矿物包裹态金属的活化机制，推动固废资源化从简单分离向原子经济性转化的范式转变。研究团队提出的"机械力驱动-金属迁移-界面重构"策略，对其他含金属固废的高值利用具有重要借鉴意义。