基于微反应器的Fe(II)/高碘酸盐体系降解持久性纺织染料：超声强化与机理探究

针对纺织废水难降解有机污染问题，研究人员创新性地将Fe(II)/高碘酸盐(PI)体系与微反应器技术结合，系统考察了流动条件、水基质及超声耦合对染料降解的影响。研究发现酸性条件下Fe(IV)=O为主导氧化剂，在pH 3、120 μL/s PI流速下实现82%染料去除率，性能优于传统Fe(II)/H2O2等体系。该研究为分散式水处理提供了紧凑可控的技术方案，发表于《Journal of Water Process Engineering》。

　　

纺织工业排放的合成染料对水环境构成严峻挑战，尤其是占商业染料60%以上的偶氮染料，其难降解性和潜在毒性严重威胁生态系统健康。传统物理化学处理方法难以实现完全矿化，而高级氧化工艺(AOPs)因其能产生活性氧物种而备受关注。其中，Fe(II)活化高碘酸盐(PI)体系因能高效生成高稳态Fe(IV)=O(半衰期约10秒)而崭露头角，但其连续流应用研究尚属空白。

阿尔及利亚君士坦丁大学(University of Constantine)的研究团队开创性地设计了管式微反应器(内径1mm，长度1-4m)系统，以Cibacron Green H3G偶氮染料为模型污染物，首次实现了Fe(II)/PI体系的连续流降解。通过调控流速、pH、水基质等参数，结合超声(40kHz)强化，系统评估了该技术的处理效能。研究发现酸性条件(pH 3)下Fe(IV)=O是主导氧化剂，在最优条件下实现82%脱色率和44%总有机碳(TOC)去除，性能显著优于Fe(II)/过二硫酸盐(PDS)等传统体系。该成果发表于《Journal of Water Process Engineering》，为分散式水处理提供了新思路。

研究采用管式微反应器连续流实验装置，通过流动化学分析系统考察不同操作参数的影响；利用淬灭实验和同位素标记技术鉴别活性物种；采用X射线吸收近边结构(XANES)光谱和密度泛函理论(DFT)计算验证Fe(IV)=O生成路径；通过总有机碳分析仪评估矿化程度；并集成超声浴(40kHz)探究空化效应强化机制。

反应条件优化：酸性环境(pH 3)最有利于Fe(IV)=O生成，PI流速提升至120 μL/s时染料去除率达峰值。相较传统批次反应，微反应器的高比表面积使传质效率提升3倍。

氧化机理解析：¹⁸O同位素示踪证实Fe(IV)=O为主要活性物种，其稳态浓度(～10^-9 M)远超•OH(～10^-12 M)。淬灭实验显示叔丁醇仅使降解率降低11.5%，证实•OH贡献不足15%。

体系对比：Fe(II)/PI在2分钟内完成80%降解，速率常数较Fe(II)/H₂O₂体系高2个数量级。DFT计算揭示其活化能仅11.2 kcal/mol，具有动力学优势。

超声耦合效应：40-60%振幅超声通过增强微混合提升传质，但≥80%振幅会因过度空化阻碍反应。在低流速区超声使染料去除率提升27%。

实际应用评估：复杂水基质(如处理废水)中效率下降30-50%，主要归因于Fe(IV)被天然有机物(NOM)猝灭和无机离子竞争消耗。

该研究首次证实Fe(II)/PI微反应器系统在连续流条件下的技术可行性，其紧凑设计(反应体积<5mL)和快速响应特性(<30秒达到稳态)特别适合分散式处理。通过揭示Fe(IV)=O主导的非自由基氧化路径，为AOPs机理研究提供了新视角。超声耦合策略的创新应用证明物理场强化可针对性解决微反应器低雷诺数下的传质限制。尽管在实际水体中效果有所衰减，但该技术对工业废水预处理场景仍具有重要应用价值，未来可通过模块化阵列放大实现工程化应用。