通过将含有氯的废水处理过程中产生的弗里德尔盐（Valdel’s salt）重构为用于PMS（可能是某种特定化合物或过程的缩写）激活的钴基催化剂，实现该盐的增值利用

《Desalination》：Valorization of Friedel's salt generated from chloride-containing wastewater treatment through reconstruction into a cobalt-based catalyst for PMS activation

　　

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  通过重构策略实现了Friedel盐的增值利用。
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  重构后的催化剂有效激活了PMS，用于喹啉的降解。
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  该催化剂具有良好的成本性能比，并且钴的浸出量低。

引言

工业化的快速推进导致来自各个工业领域（包括冶金过程、烟气脱硫和化学生产）的大量含氯废水持续排放，这對生态安全和基础设施的完整性构成了潜在威胁[1]、[2]。因此，人们开发了多种去除氯离子（Cl^?）的技术，包括膜分离、离子交换、化学沉淀和电化学方法[3]、[4]、[5]、[6]。其中，超高压石灰-铝（UHLA）工艺已被证明是一种有效的去除Cl^?的方法，Cl^?与Ca²⁺和Al(OH)₄^?反应生成Friedel盐（FS，Ca₄Al₂(OH)₁₂Cl₂(H₂O)₄），这是一种具有明确层状结构的AFm型层状双氢氧化物（LDH）[7]、[8]、[9]。然而，在去除Cl^?的过程中，该方法不可避免地会产生大量的含FS固体副产品（理论上是每去除1克Cl^?会产生约7.90克FS）[10]。为了提高废水处理过程的可持续性，人们越来越重视对处理副产品和固体残渣的增值利用。FS的增值利用已在多个领域得到探索，例如作为聚铝氯化物（PAC）合成前体[9]，以及作为污泥调理剂[11]、[12]。此外，FS还被研究作为从水系统中去除阴离子和重金属的吸附剂[8]、[13]。尽管做出了这些努力，但目前FS的利用途径仍然相对有限，从FS制备高价值功能材料的研究仍处于早期阶段。

FS具有独特的层状结构、可调的化学成分和丰富的表面活性位点[14]、[15]。这些特性使其在环境应用中受到了广泛关注。然而，现有研究主要集中在理想的LDH系统上，而来自工业过程的类似LDH的副产品（如FS）的结构特性和功能开发尚未得到充分研究。与理想的LDH相比，FS通常结构稳定性较低，在水化或热处理过程中容易发生结构塌陷和重构[9]。值得注意的是，这种结构演变常常伴随着相变、层状重组和界面重构，这可能会影响活性位点的形成及其电子结构，从而为调节催化性能提供潜在途径。此外，FS源自含氯废水处理，具有高产量、低成本和可扩展性的优势。因此，结合FS的结构重构特性和经济优势，有望实现高效且低成本的催化剂设计。

由于其强大的氧化能力，高级氧化过程（AOPs）已被广泛用于从水系统中去除难降解有机污染物[16]、[17]。在各种AOP系统中，基于过氧单硫酸盐的高级氧化过程（PMS-AOPs）因具有高氧化潜力、宽pH适用范围和多样的活性氧生成途径而受到广泛关注[18]。先前的研究表明，基于过渡金属的催化剂（如Co、Mn和Fe）可以有效激活PMS，通过自由基和非自由基途径促进污染物降解[19]、[20]、[21]。尽管取得了显著进展，但这些催化系统往往受到金属浸出风险和高运营成本的阻碍，难以同时实现高催化活性、结构稳定性和经济可行性[22]、[23]。在这种情况下，使用废弃资源开发低成本催化材料是一种增强基于PMS的水处理技术可持续性的有吸引力的策略。包括污泥、废电池和工业渣在内的多种废弃材料已被探索作为PMS激活的前体或载体，证明了将废弃资源转化为功能性催化材料的可行性[23]、[24]、[25]、[26]、[27]。然而，从含氯废水处理中生成的FS用于PMS激活的增值利用仍大多未被探索。

在本研究中，利用从含氯废水处理中生成的FS作为前体，通过重构策略制备了基于钴的复合催化剂。随后将该催化剂应用于PMS激活系统中，以降解难降解的有机污染物喹啉。主要目标如下：（1）阐明FS在改性过程中的结构特性和表面化学演变；（2）评估所得催化剂的催化性能、经济可行性和稳定性；（3）基于实验和密度泛函理论（DFT）计算揭示反应机理；（4）通过中间体分析和毒性评估揭示喹啉的降解途径和环境风险的变化。本研究旨在为FS的增值利用提供新的途径，并为废水处理副产品的增值与先进的水净化技术整合提供见解。

章节片段

化学试剂与方法

首先对含氯废水经UHLA处理后得到的沉淀物进行预处理，然后使用钴物种对其进行改性，以制备复合催化剂。对制备的材料进行了系统的表征，以确定其结构特征和表面化学性质。随后，在受控条件下使用模拟废水进行批量实验，以评估这些材料在PMS系统中的催化行为（见图）。

结果与讨论

本节系统地分析了催化剂的结构特征、催化性能和反应机理之间的相互关系。采用多尺度表征技术来阐明晶体相、形态和表面化学状态，从而了解材料的微观结构特性。随后通过批量实验评估了催化剂在PMS激活系统中的催化活性和稳定性。

结论

本研究通过重构策略实现了FS的增值利用，制备了基于钴的复合催化剂（CoO_xFS-CaCO₃）。该重构材料随后被用于PMS激活系统中，以降解喹啉。这种方法展示了将废水处理产生的副产品与难降解有机污染物去除相结合的潜力。主要结论如下：

• FS的结构重构有助于

CRediT作者贡献声明

魏志宇：概念构思、方法论设计、数据管理、初稿撰写、修订与编辑。周臻：指导、修订与编辑。葛晓辉：数据管理、实验研究。周斌：资源准备、实验研究。李恩超：资源准备、实验研究。秦金燕：资源准备、实验研究。邓黄伟：指导。廖振亮：资金筹集、指导、项目管理。

未引用的参考文献

[40], [41], [42], [43], [44]

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了宝武水务科技有限公司新疆分公司在“高氯离子废水处理关键技术研究”项目（项目编号：R23DCJ0008）下的财政支持。

Zhiyu Wei|Zhen Zhou|Xiaohui Ge|Bin Zhou|Enchao Li|Jinyan Qin|Huangwei Deng|Zhenliang Liao