基于零价铁固液微界面弱磁场诱导演变特性的分子氧强化活化机理研究

Zero valent iron (ZVI) technologies are popular in the area of wastewater/water treatment, however, limitations, e.g. surface passivation, low reactivity, are still needed to answer. In this project, a novel advanced oxidation process (AOP) combining the ZVI technology and weak magnetic field (MF) is proposed. With the irradiation of MF, a specific surface evolution of ZVI is induced upon the passivated surface. As a result, activation of molecular oxygen can be accelerated, producing more reactive oxygen species in-situ and effectively oxidizing a typical pharmaceutical pollutant diclofenac (DFC). The targets of this project are to: (a) investigate the evolutions of ZVI surface in different systems with MF irradiation, and reveal a MF-induced evolution mechanism relying on the surface passivated layer; (b) identify the competitive relationship between single-electron and two-electron mechanisms, and explore the synergistic role of MF during the activation of molecular oxygen, through evaluating the surface-bound Fe(II) migration and layer-dependent two-electron transfer on the nanoscale ZVI with core-shell structure; (c) investigate the synergistic degradation of DFC in the MF/ZVI/Ligand/Oxygen system and study the solid-liquid interfacial transformation of Fe-ligand complexes, further clarifying the critical role of ligand in the homogenous/heterogeneous activation reactions of molecular oxygen; (d) investigate the effect of co-existing inorganic wastewater matrix on the DFC degradation in the MF/ZVI/Ligand/Oxygen system, and treat the synthetic DFC wastewater in a continuous-flow column reactor. The result of this project is expected to provide theoretical and technical support for the application of MF/ZVI combined systems.

零价铁(ZVI)水处理技术广受关注，但存在铁表面易钝化、活性低等局限，亟需研发经济高效的协同技术。本项目提出新型弱磁场(MF)协同ZVI氧化技术，实现ZVI表面钝化层磁诱演变特性与分子氧活化反应的有机结合，原位生成活性氧物种高效降解药物类污染物双氯芬酸(DFC)。首先，归纳MF作用下ZVI表面的一般性变化规律，揭示基于钝化层性质的表面形貌磁诱演变机制；其次，制备核壳结构纳米铁，研究磁诱界面束缚态Fe(II)的迁移聚集规律及依赖钝化层特性的双电子传输机制，揭示单/双电子活化分子氧的竞争关系及MF协同机理；进而考察MF/微米ZVI/配体/分子氧体系对DFC的高效降解，研究该均相-非均相体系中配体的关键作用，揭示基于磁诱界面Fe-配合物演变过程的分子氧强化活化机制，并开展无机杂质离子影响及连续流运行研究。研究成果可为磁协同ZVI技术提供可靠的理论依据和应用参考，为水污染物化控制技术发展做出贡献。

零价铁（ZVI）水处理技术广受关注，但存在易钝化、活性低等局限，研发经济高效的协同技术十分重要。本项目利用ZVI表面钝化层特有的磁诱演变特性，与分子氧活化机理进行耦合，形成了弱磁场（MF）协同ZVI的原位氧化技术，实现了典型有机污染物双氯芬酸（DCF）的高效降解。完成的主要工作有：1）结合表面磁场仿真模拟，揭示了磁诱零价铁界面上的有序铁腐蚀行为及腐蚀产物分布规律，考察了洛伦兹力和梯度磁场力对界面反应的共同强化效应，阐明了梯度磁场力作用下的磁诱ZVI固液微界面演变机制，并据此提出了协同催化H2O2的类芬顿氧化机理。2）制备了核壳结构的纳米零价铁材料（Fe0/Fe2O3），实现了DCF在MF/nZVI/O2体系中的强化降解，揭示了磁诱界面演变中的分子氧单电子活化路径，结合同步Fe(II)释放及腐蚀产物生成规律，提出了基于梯度磁场力富氧作用的磁场强化nZVI活化分子氧的机制。3）考察了DCF在MF/ZVI/EDTA/O2和MF/ZVI/四聚磷酸(TPP)/O2体系中的协同降解规律，剖析了基于ZVI钝化层性质的磁场强化规律，提出了基于ZVI表面高场强位点的界面铁氧化/还原反应循环机制，结合均相非均相反应的贡献分析，阐释了体系中基于界面FeII/FeIII-配合物演变过程的分子氧强化活化机制。4）考察了常见无机阴、阳离子对MF/ZVI/TPP/O2、MF/ZVI/H2O2等两个体系降解DCF的影响规律，并在铁砂柱式反应器中进行了上述两个体系连续流处理DCF模拟废水的长期运行研究，发现磁场能明显提高ZVI的催化氧化性能与利用效率，并考察了长期磁诱下的ZVI表面形貌演变及铁（氢）氧化物生成规律。5）深入研究了几种顺磁性铜/铁氧化物的固液界面催化反应机制，初步探明了磁场对CuFe2O4/羟胺体系活化分子氧的协同强化规律，为拓展弱磁场协同非均相催化氧化技术提供了前瞻性参考。本项目的研究成果可望为磁协同高级氧化技术提供可靠的理论依据和应用参考，为水污染物化控制技术的发展做出贡献。