水动力空化协同连二亚硫酸盐高效降解2-硝基酚的机制研究与工程应用

【编辑推荐】研究人员针对水体中难降解污染物2-硝基酚(2-NP)，创新性提出水动力空化(HC)激活连二亚硫酸盐(DTN)的高级还原工艺(ARP)。实验证实HC/DTN体系15分钟内实现2-NP完全降解，协同指数达9.47，主要依赖SO2•?和eaq?作用，处理成本仅1.08欧元/m3，为工业废水处理提供经济高效解决方案。

　　

随着工业废水排放量激增，含硝基酚类化合物的处理成为环境工程领域重大挑战。这类物质具有强毒性和生物累积性，传统生物处理法对其束手无策。虽然高级氧化工艺(AOPs)能降解部分有机物，但面对含硝基污染物时往往效率低下且成本高昂。更棘手的是，现有技术难以同时解决氧化还原电位匹配、反应选择性控制等关键科学问题。

在此背景下，研究人员开创性地将水动力空化(HC)技术与连二亚硫酸盐(DTN)相结合，构建出新型高级还原工艺(ARP)。通过精密设计的空化反应系统，在C_v 0.27、r_red 8.33、pH 11、20±2.5°C条件下，仅用15分钟就实现了2-硝基酚(2-NP)的完全降解，其协同指数(ξ)高达9.47。研究揭示该过程主要依靠空化效应产生的硫 dioxide anion radicals (SO₂^•?)和水合电子(e_aq^?)发挥作用，而羟基自由基(HO^•)和硫酸根自由基(SO₄^•?)贡献较小。

技术方法上，研究团队采用多参数响应面法优化反应条件，通过气相色谱-质谱联用(GC-MS)鉴定中间产物，结合自由基猝灭实验和成本分析构建完整技术体系。

【关键结果】

1. 降解动力学：在最佳条件下，2-NP降解符合准一级动力学，速率常数较单独HC或DTN处理提升8.3倍
2. 机制解析：电子顺磁共振证实SO₂^•?为主导活性物种，其生成与空化强度呈正相关
3. 路径推演：通过检测到苯胺和氢醌等中间体，证实存在加氢脱硝和开环两条并行路径
4. 经济评估：处理成本较传统Fenton工艺降低67%，能耗主要来自空化泵(占82%)

该研究突破性地证明HC可作为DTN的高效活化手段，其创新价值体现在三方面：首先，首次将ARP概念引入空化技术领域；其次，提出的"空化-还原"协同机制为处理含硝基污染物提供新思路；最后，1.08欧元/m³的处理成本使该技术具备工业化应用潜力。论文发表于《Water Research》标志着水处理技术取得重要进展，为应对全球性水污染挑战提供了中国方案。