可见光下Bi2+mWO6同步氧化Mn(II)和As(III)的交互作用机制研究

The treatment of aqueous As(III) and Mn(II) is a hotspot in the area of environmental science and engineering. The photocatalytic process can oxidize As(III) and Mn(II). However, the photocatalytic oxidation of As(III) and Mn(II) mediated by the novel self-doping bismuth tungstate (Bi2+mWO6) has not been investigated so far. In addition, the effects of active oxidants such as superoxide, hydroxyl radicals and the newly-formed manganese oxide during the oxidation of Mn(II) on the oxidation of As(III) are also unclear. By means of kinetic experiments and the characterization analyses, we will regulate the speciation and formation rate of the oxidative species by mediating the composition of Bi2+mWO6. After that, the kinetic differences between the single oxidation of Mn(II)/As(III) and the simultaneous oxidation of Mn(II) and As(III) by Bi2+mWO6 will be compared, and the mutual interactions between Mn(II) and As(III) under visible light will also be clarified. This project will help us understand the speciation and formation rate of oxidative species on the oxidation of different pollutants, as well as the mutual interactions involved in the oxidation process. In addition, it will provide us important methods and theoretical basis to eliminate other pollutants under visible light.

水体中As(III)和Mn(II)的治理是近年来环境领域中的热点问题之一。光催化过程可氧化As(III)和Mn(II)，但新型自掺杂钨酸铋(Bi2+mWO6)材料在可见光下用于氧化水中As(III)和Mn(II)的研究未见报道。此外，活性物种如超氧自由基、羟基自由基以及Mn(II)氧化过程形成的锰氧化物对As(III)氧化的影响也不清楚。本项目拟借助动力学实验和表征分析方法，通过改变Bi2+mWO6组成，调控其在可见光下生成活性物种的种类及速率；继而比较单一氧化Mn(II)/As(III)与同步氧化Mn(II)和As(III)过程的动力学差异，从微观水平揭示Mn(II)和As(III)氧化过程中的交互作用机制。本项目有助于我们深入理解活性物种的种类与生成速率对不同污染物氧化性能的影响以及不同污染物在氧化过程中的交互作用机制，为可见光条件下控制其他污染物提供重要的实验方法和理论依据。

水体中Mn(II)和As(III)污染物对环境与人类健康构成严重威胁。本研究成功合成出铋自掺杂钨酸铋材料(Bi2.15WO6)，并对Bi2.15WO6氧化Mn(II)和As(III)的性能及机制进行了深入探究。结果表明，Bi2.15WO6对As(III)的氧化性能随着pH升高而增强，在pH11.6时仅需光照20min就可将20mgL-1 As(III)完全氧化。PL光谱和Mott-Schottky曲线测试表明碱性环境促进了Bi2.15WO6中电子-空穴对的分离，从而提高了催化剂的光催化性能。氧化As(III)的主要活性物种为Bi2.15WO6表面产生的-OOH过氧基团，该基团由Bi2.15WO6在可见光照射下通过一步双电子转移反应生成。.可见光下Mn(II)在Bi2.15WO6(BWO)上通过非生物途径两步氧化形成了非晶态锰氧化物(MnOx) [pH8.9时可见光下反应4h后Mn(IV)含量高达2.1mgL-1]，其中Mn(III)是BWO-Mn(II)体系的中间产物。O2•-和h+是可见光下BWO-Mn(II)体系的主要活性氧化物种。利用所得BWO-MnOx体系可实现暗态和碱性条件下对As(III)的氧化，其氧化率(71.2%)优于Mn(II)和As(III)共存体系中BWO可见光催化氧化As(III)的效率(61.7%)。BWO体系级联氧化Mn(II)和As(III)的方法[Mn(II)先被氧化为MnOx，随后As(III)被MnOx氧化为As(V)]实现了“以废治废”的目的。为了提高BWO在水环境中的可回收性，本文成功制备出PVDF@BWO复合材料。当BWO质量浓度为1.0%时，PVDF@BWO复合膜具有较好的光催化活性，可见光照射2h后As(III)氧化率达62.6%。暗态下PVDF@BWO-MnOx体系中As(III)的去除率(84.1%)高于可见光下PVDF@BWO-Mn(II)体系[As(III)去除率为68.3%]。.由于具有优异的As(III)氧化性能，Bi2.15WO6在处理含As(III)的碱性废水中具有广阔应用前景。此外，本研究提出的通过级联氧化实现“以废治废”的方法为去除水环境中的Mn(II)和As(III)污染物提供了新思路。