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氮硫共掺杂生物炭活化过硫酸盐降解水中邻苯二甲酸酯

文章出处:人气: 发表时间:2022-03-10 18:23

  邻苯二甲酸酯是广泛使用的塑化剂,是废水中常见的内分泌干扰物。非金属碳基材料活化过硫酸盐是去除这类污染物的研究前沿。在碳骨架中引入杂原子(如氮、硫)可以打破碳晶格的电荷平衡,创造出新的活性位点。利用来源广泛、本身富含氮和硫元素的畜禽粪便作为生物炭前驱体,可以在无需额外掺杂剂的情况下,通过一步热解法制备原位氮硫共掺杂的高性能生物炭,这为废弃生物质资源化利用和高级氧化催化剂的制备提供了绿色可持续的途径。

  

  本研究以风干猪粪为原料,在600-800℃氮气气氛下进行热解,得到了氮硫共掺杂的多孔生物炭(N,S-BC)。XPS分析证实,N和S元素成功掺入了碳骨架,形成了石墨氮、吡啶氮和噻吩硫等活性构型。在活化过硫酸盐降解邻苯二甲酸二乙酯(DEP)的实验中,N,S-BC的催化活性是单独猪粪生物炭(未掺杂对照)的数十倍,其表观速率常数甚至优于一些文献报道的金属基催化剂。更为重要的是,该催化体系对水中常见无机阴离子(Cl⁻, HCO₃⁻)和天然有机质(腐殖酸)的干扰展现出极强的抵抗能力,在真实地表水和二级出水背景下仍保持高效。机理研究通过EPR和淬灭实验,证实该体系以非自由基路径为主:过硫酸盐与催化剂表面亚稳态络合,然后通过电子转移和产生单线态氧(¹O₂)的方式氧化DEP。

  

  理论计算揭示了N和S协同掺杂的独特作用。硫掺杂(尤其是噻吩硫)显著改变了相邻碳原子的电荷密度和自旋密度,使其成为新的催化活性中心;而氮掺杂(特别是石墨氮)增强了碳平面的导电性,促进了电子从污染物分子向催化剂表面活化络合物的转移。经过5次循环使用,N,S-BC的活性保持稳定。该研究将高氮硫含量的废弃生物质直接转化为高性能的绿色催化剂,用于水中塑化剂类污染物的高效、抗干扰降解,充分体现了“以废治废”的循环经济理念。

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