氯离子驱动过氧化单磺酸盐的活化作用：一种优于生物炭的纺织废水处理方法

《Journal of the Indian Chemical Society》：Chloride driven activation of peroxymonosulfate: A superior approach to biochar in textile wastewater treatment

　　

S.L. Neeraja | P.V. Nidheesh

CSIR-国家环境工程研究所，那格浦尔，马哈拉施特拉邦 440020，印度

摘要

由于纺织废水的成分复杂，对其进行处理是一项具有挑战性的任务。氯是一种公认的自由基清除剂，也是纺织废水中的主要成分。本研究考察了氯离子对用于染料降解的生物炭活化过一硫酸盐（PMS）过程的影响。令人惊讶的是，与水葫芦衍生生物炭（WHB）相比，氯作为PMS的激活剂表现更为出色。在最佳条件（PMS 250 mg/L、WHB 50 mg/L、氯离子 1000 mg/L，pH 6）下，氯的激活作用使得刚果红（CR）染料的降解率超过了95%。该过程还能够从模拟的纺织废水中降解58.6%的CR染料。单线态氧、超氧阴离子和HOCl是导致染料降解的主要氧化剂。总体而言，添加PMS是有效地从纺织废水中降解染料的方法。

引言

水是一种基本的自然资源，在维持生命和支持各种生态及工业过程中发挥着至关重要的作用。水污染主要集中在工业化和农业活动中。工业生产过程中可能会释放出多种有毒化学物质、有机和无机物质、溶剂以及挥发性有机化合物，从而造成水污染[1]。其中，纺织废水是环境污染的主要来源之一（占17-20%）[2]，因为其成分复杂，包含合成染料、表面活性剂、重金属和其他有毒物质[3][4]。这些污染物的持久性和不易分解的特性导致它们在水生生态系统中长期堆积，对人类和野生动物构成严重的环境与健康危害，包括致癌性、致突变潜力以及对水生生物和人类的有害影响[5][6]。

传统的废水处理技术，如生物法和物理化学方法，往往无法完全去除污染物，这就需要更先进的处理技术。特别是基于硫酸根自由基的先进氧化工艺（SR-AOPs），它们利用过一硫酸盐（PMS）和过二硫酸盐（PDS）通过生成活性氧物种来分解有机污染物。利用先进氧化工艺（AOPs）的目标是完全使污染物矿物化并将其从环境中清除。硫酸根自由基SO₄^•?和^•OH的氧化还原电位（E°）分别为2.8V|SHE和2.5–3.1V|SHE，使其成为强大的氧化剂，能够降解废水和水中的多种有机化合物[7]。硫酸根自由基具有较高的选择性，主要通过电子交换机制与含碳化合物相互作用，而^•OH则具有较低的选择性，能够参与对不饱和烃和芳香化合物的亲电加成反应，从脂烃中抽取氢原子，并在卤代烃中促进电子交换[8]。与基于羟基自由基的AOPs相比，SR-AOPs具有更高的氧化还原电位、更宽的pH适用范围，以及能够针对含芳香结构的污染物进行处理的优点[9]。

最新研究表明，生物炭（生物质热解的碳密集型产物）可以作为PMS激活的良好催化剂，从而促进污染物的分解[10][11][12]。其多孔结构和功能性基团的存在有助于产生超氧阴离子和羟基自由基，这对通过氧化分解有机污染物起着关键作用。在原料热解过程中，可能会生成稳定的自由基（PFRs），这些自由基是决定生物炭催化活性的关键因素[13]。

由于水葫芦是一种入侵性水生植物，因此被用来制备生物炭。它是一种廉价、可再生且在受污染水域中常见的材料。水葫芦是全球生长最快的水生杂草之一，常形成密集的垫层，限制水流、减少光照穿透并消耗水中的溶解氧。其大量的生物质能够持续再生，使其成为一种容易获取且成本低廉的原料，否则需要花费大量成本进行清除和处理[14][15]。水葫芦生物质含有大量的纤维素、半纤维素和木质素，经过热解后能形成具有丰富表面功能基团的多孔碳结构[15]。利用水葫芦生物质生产生物炭有助于可持续管理水生杂草，通过形成稳定的碳来支持碳封存，并减少对合成催化剂或昂贵碳材料的依赖[16]。水葫芦具有吸附多种污染物的潜力，包括具有致突变性和致癌性的物质，如合成染料[17]。

尽管人们对生物炭活化的PMS系统越来越感兴趣，但由于染色和整理过程，纺织废水中普遍存在氯离子，其影响仍然是一个关键问题。已知氯离子会根据系统条件对基于PMS氧化的系统产生双重影响，有时会催化有时会抑制污染物的降解[18]。废水中的氯离子可以通过改变氧化途径显著影响自由基的生成和污染物的去除效率[19]。此外，尽管氯离子在实际废水中普遍存在，并且已知会显著影响PMS的激活路径，但其在生物炭活化PMS系统中的作用尚未完全明了，关于 CL 氯离子是抑制还是促进反应，或者会导致自由基路径变化，目前存在相互矛盾的报道[18]。

基于上述内容，本研究主要探讨了受氯离子影响的生物炭介导的PMS在纺织废水处理中的应用。首先，在合成溶液中测试了刚果红（CR）染料的降解情况，以了解降解机制和操作参数的影响。CR是一种苯并二氮杂双-1-萘胺-4-磺酸的钠盐，在酸性溶液中呈现蓝色，在碱性溶液中呈现红色，常用于生物染色和指示。CR具有固定的芳香结构，因此不可生物降解，对水生生物和人类健康构成重大风险[20]。对于将入侵性水生植物作为基于PMS的先进氧化工艺的可持续生物炭原料的研究关注不足。因此，整个研究均使用来自水葫芦的生物炭（WHB）作为催化剂。尽管水葫芦资源丰富、生长迅速且存在环境问题，但在染料降解系统中作为催化剂或催化剂载体的应用仍较少。最后，在初步研究得出的最佳条件下进行了模拟纺织废水的处理。

章节摘要

化学品和试剂

实验过程中使用了来自Hyma Synthesis Pvt. Ltd（印度海得拉巴）的分析级化学品刚果红，以及来自Loba Chemie Pvt. Ltd（印度孟买）的过一硫酸盐（PMS）。硝酸钠来自Merck Pvt. Ltd（印度孟买），用作氯离子的来源。其他试剂包括来自Merck的叠氮化钠、氢氧化钠颗粒、亚硫酸钠、对苯醌和叔丁醇；来自Ancott（印度）的99.9%乙醇；以及来自Honeywell的甲醇

生物炭产率

水葫芦的生物炭以木质纤维素组成为特征，主要生物聚合物成分是纤维素和半纤维素[23]。在600°C下，生物炭的产率为35.5%，属于木质纤维素和水生生物质的典型范围[24]。由于挥发物和可凝结气体的大量释放，生物炭的产率通常随热解温度的升高而降低[25][26]。研究发现，当温度超过...

结论

本研究展示了在氯离子影响下的生物炭介导的PMS激活系统对CR染料的有效降解效果。CR染料的降解效率受多个操作参数的影响，如PMS的用量、生物炭的负载量、初始染料浓度、pH值和氯离子含量。在自然pH值（约6）条件下，使用50 mg/L的WHB、250 mg/L的PMS和1000 mg/L的氯离子，60分钟内实现了最高的去除效率（96.6%）。相反，...

CRediT作者贡献声明

S. L. Neeraja：撰写——初稿编写、数据分析。P V Nidheesh：撰写——审阅与编辑、监督、方法论设计、概念构思

数据可用性

数据可在CSIR NEERI那格浦尔的知识资源中心（KRC）获取

利益冲突

不存在需要声明的利益冲突。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。