酚-醌氧化还原循环驱动氧依赖的H2O2辅助松木锯末生物炭氧化As(III)

《Environmental Technology & Innovation》：Phenol-quinone redox cycling enables oxygen-dependent H 2O 2-assisted As(III) oxidation by pine-sawdust biochar

　　

摘要：已有研究报道了生物炭（BC）介导的亚砷酸盐（As(III)）有氧氧化，但酚-醌氧化还原循环、O₂活化和pH调控的H₂O₂生成之间的耦合关系仍未得到充分解析。本研究采用松木锯末来源的BC以及酚/醌基团的分子类似物——对苯二酚（hydroquinone，HQ）和1，4-苯醌（1,4-benzoquinone，BQ），在pH 3.0、7.0和9.5条件下，于有氧和氧（O₂）受限条件下考察了As(III)氧化行为。在有氧条件下，BC在24 h内于pH 3.0、7.0和9.5时分别氧化了42.4%、21.6%和74.7%的As(III)，而在O₂受限条件下砷酸盐（As(V)）的生成可忽略不计。在空气平衡悬浮液中，BC产生过氧化氢（H₂O₂），在pH 3.0、7.0和9.5时最大浓度分别为88.5、38.8和204.2 μM。H₂O₂相关途径对As(III)氧化的贡献在pH 3.0、7.0和9.5时分别估计为69.2%、77.2%和67.4%。超氧化物歧化酶抑制了O₂^•-的生成，但未影响H₂O₂积累或As(III)氧化，表明O₂^•-主要作为H₂O₂生成的中间体。叔丁醇对As(V)生成的影响可忽略不计，与未检测到•OH的结果一致。BQ/HQ模型系统证实了醌还原、HQ被O₂再氧化以及伴随的H₂O₂生成在化学上的可行性，但该结果应被解读为分子类似物而非非均相BC表面机制的直接证据。总体而言，BC主要通过酚-醌类氧化还原循环促进O₂依赖的H₂O₂生成来介导As(III)氧化，而非单调的pH趋势（pH 9.5 > pH 3.0 > pH 7.0）反映了As(III)形态、表面氧化还原行为和H₂O₂可用性的综合效应。

一、研究背景与科学问题

砷（As）是土壤环境中的优先控制有毒元素，无机砷主要以亚砷酸盐（As(III)）和砷酸盐（As(V)）形式存在。As(III)在中性pH条件下主要以电中性的H₃AsO₃形式存在，其毒性、溶解性和迁移性均高于As(V)，约为As(V)的60倍，且易于从固相解吸。因此，将As(III)氧化为As(V)通常作为提高砷固定和去除效率的预处理或转化步骤。

生物炭（biochar，BC）是生物质热解产生的富碳材料，因其多孔结构和丰富的含氧官能团而受到广泛关注。除吸附作用外，BC可通过酚基、醌基、羰基和半醌类等氧化还原活性基团介导电子转移反应。已有研究表明，稻壳生物炭可促进As(III)氧化，且该过程依赖于pH、氧可用性和表面氧化还原活性基团。然而，关于非均相BC表面上酚-醌类氧化还原循环如何与氧（O₂）活化及过氧化氢（H₂O₂）生成相耦合的问题仍未得到充分解析。此外，与富含硅和灰分的稻壳BC不同，松木锯末BC具有木质纤维素的富碳组成和独特的原料来源。因此，本研究选择松木锯末作为原料，旨在探究O₂依赖的H₂O₂相关As(III)氧化及酚-醌类氧化还原循环是否同样存在于木质类BC中。该研究的创新之处在于整合了O₂限制条件、H₂O₂定量、过氧化氢酶抑制实验及BQ/HQ模型反应，以区分O₂依赖的H₂O₂辅助As(III)氧化与未经证实的BC直接氧化机制。

二、研究方法概述

研究人员从中国昆明采集松木锯末，经清洗、干燥、研磨过100目筛后，在马弗炉中于400 °C热解4 h制备BC。采用元素分析仪测定BC的C、H、N、O含量；利用高效液相色谱-电感耦合等离子体质谱（HPLC-ICP-MS）测定溶解态元素浓度；采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）表征表面官能团；利用电子顺磁共振波谱（EPR）检测持久性自由基和半醌自由基。As(III)氧化实验在250 mL锥形瓶中进行，BC投加量为2 g/L（实验工作浓度而非优化浓度），初始As(III)浓度为50 μg/L，分别在pH 3.0、7.0和9.5下于有氧和O₂受限条件下进行。采用N,N-二乙基对苯二胺（DPD）比色法测定H₂O₂；使用超氧化物歧化酶（SOD）和叔丁醇（TBA）分别作为O₂^•-和•OH的淬灭剂；以1,4-苯醌（BQ）/对苯二酚（HQ）作为可溶性分子类似物验证酚-醌氧化还原循环的化学可行性；最后通过结构方程模型（SEM）量化各因素对As(III)氧化的直接和间接效应。

三、主要研究结果

3.1 pH和O₂对BC氧化As(III)的影响

BC对溶解态As的去除有限，24 h内总水相As降幅低于6.0%，主要归因于吸附而非氧化。BC表面在pH 1.0-13.0范围内均带负电荷（Zeta电位为-1.98至-49.2 mV），As(III)在中性条件下以电中性H₃AsO₃为主，pH 9.5时阴离子H₂AsO₃^-比例增加。电解质的低吸附归因于带负电的BC与阴离子As物种间的静电排斥。在无BC的空气平衡溶液中，24 h内未检测到As(V)生成，证实溶解O₂单独不能氧化As(III)。在O₂受限条件下，pH 3.0和7.0时As(V)未检出，pH 9.5时仅生成1.44 μg/L As(V)。相比之下，有氧条件下BC显著促进了As(III)氧化，24 h氧化效率在pH 3.0、7.0和9.5时分别为42.4%、21.6%和74.7%，表明O₂供给对BC介导的As(III)氧化至关重要，pH通过调控该O₂依赖途径的效率发挥调节作用。

3.2 氧化还原活性官能团的变化

元素分析显示BC含62.7 wt.% C和20.0 wt.% O。FTIR光谱显示BC含有羟基（-OH）、羰基（C=O）/芳香族C=C、COO^-及C-O等官能团。As(III)反应后，1630 cm^-1附近的吸收峰减弱，表明C=O/芳香结构发生变化，且出现了850 cm^-1处的As-O伸缩振动峰。XPS O 1s谱图分峰结果显示，与原始BC相比，As(III)反应后的BC中C=O含量降低而C-OH含量增加，尤其在pH 9.5时变化最为显著。FTIR和XPS结果共同表明C=O/酚基参与了As(III)氧化过程中的氧化还原转化，C=O消耗与As-O生成之间的负相关关系揭示了醌/酚氧化还原循环的参与。

3.3 As(III)氧化过程中的半醌自由基与O₂活化

EPR光谱显示g值约为2.0042，与BC中氧中心半醌型自由基（SQ^•-）的特征一致。随着pH从3.0升至9.5，SQ^•-的EPR信号强度显著增强，表明碱性条件下半醌自由基生成量增加。As(III)氧化后，SQ^•-浓度在各pH条件下均显著下降：pH 3.0时从2.377×10¹⁸ spins/g降至1.028×10¹⁸ spins/g，pH 7.0时从1.189×10¹⁸ spins/g降至6.304×10¹⁷ spins/g，pH 9.5时从5.020×10¹⁸ spins/g降至3.006×10¹⁸ spins/g。初始SQ自由基自旋密度和绝对消耗量与As(III)氧化速率常数呈强正相关（R2=0.998和R2=0.909），表明SQ^•-是反应中的氧化还原活性物种，但其功能是介导电子向O₂的传递及H₂O₂的生成，而非直接氧化As(III)。

3.4 H₂O₂生成和活性氧在As(III)氧化中的关键作用

DMPO自旋捕获EPR确认了O₂^•-的生成（超精细分裂常数a_N=14.3 G，a_H=11.5 G，a_H=1.3 G），而DMPO-•OH信号未检出。SOD的加入显著减弱了O₂^•-信号，但H₂O₂仍持续积累，As(V)生成得以维持，表明O₂^•-主要通过歧化反应生成H₂O₂，而非直接氧化As(III)。TBA对As(V)生成影响极小，结合EPR未检出•OH的结果，排除了自由扩散•OH对As(III)氧化的显著贡献。溶解态Fe浓度仅为0-0.003 μg/L，排除了均相Fe介导的Fenton反应的主导作用。

BC在有氧条件下产生H₂O₂，最大浓度在pH 9.5时为204.2 μM、pH 3.0时为88.5 μM、pH 7.0时为38.8 μM，与As(III)氧化效率趋势一致。外源H₂O₂实验估算H₂O₂相关途径在pH 3.0、7.0和9.5时分别贡献了As(III)氧化的69.2%、77.2%和67.4%。过氧化氢酶（CAT）在各pH条件下抑制了64%-70%的氧化，证实H₂O₂是主要但非唯一的氧化途径。pH依赖的非单调趋势源于三种耦合机制：As(III)形态分布、表面氧化还原行为（碱性条件促进酚/对苯二酚基团去质子化，增强电子供给和半醌介导的O₂还原）以及H₂O₂稳态浓度的综合作用。

3.5 BQ/HQ分子模型体系中的As(III)氧化

在均相模型体系中，BQ在有氧和O₂受限条件下均能氧化As(III)，同时被还原为HQ；HQ可被溶解O₂再氧化并伴随H₂O₂生成。该结果证实了醌还原、氢醌再氧化和O₂偶联的H₂O₂生成在化学上的可行性。但研究人员强调BQ/HQ体系仅作为均相分子模型，用于佐证酚-醌类氧化还原循环的合理性，而非BC非均相界面机制的直接证据。

3.6 相关性分析与氧化机制

结构方程模型（SEM）定量分析了pH对As(III)氧化的直接和间接效应，解释了97%的As(III)氧化变异。模型显示，升高的pH直接促进H₂O₂生成，进而对As(III)氧化产生显著正效应；同时pH加速BQ消耗，间接促进As(III)氧化，BQ消耗与HQ增加相关联，支持BC表面持续运行的酚-醌氧化还原循环。

四、结论与展望

松木锯末来源的BC在有氧条件下促进了As(III)氧化，pH 3.0、7.0和9.5时24 h氧化效率分别为42.4%、21.6%和74.7%，而O₂受限条件下As(V)生成可忽略不计，证实O₂的关键作用。光谱分析表明酚/醌型含氧官能团和半醌型自由基参与了反应。BC在有氧条件下生成H₂O₂，CAT显著抑制As(III)氧化，表明H₂O₂相关氧化是主要途径。SOD和TBA淬灭实验表明O₂^•-主要作为H₂O₂生成的中间体，自由扩散的•OH对As(III)氧化无显著贡献。BQ/HQ模型体系支持醌还原、氢醌被O₂再氧化及H₂O₂生成的化学可行性，但应视为分子类似物而非非均相表面氧化的直接证据。综合结果表明，酚-醌氧化还原循环促进O₂活化和H₂O₂生成，进而驱动As(III)氧化，pH趋势（9.5 > 3.0 > 7.0）反映了As形态、表面氧化还原活性和H₂O₂可用性的综合影响。实际应用中，松木锯末BC可作为As(III)氧化的氧化还原介体而非仅作为吸附剂，其性能的关键决定因素包括表面氧化还原基团的丰度和稳定性、O₂供给及接触时间。未来研究应在实际水化学条件和原生pH下优化BC的制备参数、投加量、使用寿命和可重复使用性。