Fe0/Fe?O?/超稳Y型沸石用于水溶液中氯霉素的高效太阳能光Fenton降解和矿化过程

《Journal of Water Process Engineering》：Fe0/Fe?O?/ultra-stable Y zeolite for energy-efficient solar photo-Fenton degradation and mineralization of chloramphenicol in aqueous matrices

氯氨苯甲酸（CAP）的光催化芬顿降解效率及其机理研究。采用超稳定Y型沸石（USY）为载体，通过真空浸渍结合梯度热处理制备Fe0/Fe3O4/USY复合催化剂，探究Fe0与Fe3O4协同作用对CAP去除及矿化的影响。研究表明，1.5 g/L催化剂在pH=4、H?O?=0.12 g/L时，30分钟暗反应降解率达98.4%，120分钟太阳能辐照下TOC去除52%。机理表明羟基自由基为主要氧化物种，Fe3O4通过光致电子转移实现Fe3+/Fe2+循环，维持持续氧化活性。系统能量消耗（10.5 kWh/m3）显著低于同类光催化/光芬顿工艺。USY的微/介孔结构及高热稳定性促进催化剂分散与再生。氯离子等实际水基质成分抑制自由基生成，但催化剂仍保持82%矿化效率。

　　在现代水处理技术中，如何有效去除环境中难降解的有机污染物，尤其是抗生素等新兴污染物，已成为全球关注的焦点。氯霉素（CAP）作为一种广泛使用的广谱抗生素，其在水体中的残留现象引起了广泛关注。CAP因其高化学稳定性和低生物可降解性，容易在水处理过程中残留，导致生态和健康风险。传统的水处理技术，如生物氧化，往往难以有效去除这类污染物。因此，开发高效、可持续的水处理技术成为迫切需求。本研究聚焦于通过太阳光辅助的光芬顿反应，使用一种基于Fe⁰/Fe₃O₄/USY复合催化剂去除CAP，探索其在不同条件下对CAP降解和矿化效率的影响。

### 催化剂的制备与性能评估

本研究使用的催化剂是Fe⁰/Fe₃O₄/USY复合材料，其中USY是一种超高稳定性沸石，具有优异的热稳定性和结构稳定性。USY的Si/Al比值为6.9和385，分别对应USY360和USY390两种类型。通过真空浸渍法将FeSO₄·7H₂O溶液引入USY中，随后在还原性气氛中进行热处理，以获得Fe⁰和Fe₃O₄。Fe⁰和Fe₃O₄的协同作用使得催化剂能够有效结合还原和氧化降解路径，从而增强其去除能力。

在优化条件下（pH=4，H?O?剂量为0.12 g/L，催化剂负载量为1.5 g/L），Fe⁰（3.3%）/Fe₃O₄（1.6%）/USY360催化剂在黑暗条件下30分钟内实现了98%的CAP降解，且在模拟太阳照射下120分钟内达到了52%的TOC去除率。这些结果表明，该催化剂在降解和矿化方面均表现出色，同时在实际水体中也保持了高活性，即使在存在常见无机离子如氯离子、硝酸根和磷酸根的情况下，其性能也未显著下降。这说明该催化剂具有良好的耐受性和环境适用性。

### 降解机制与反应动力学

通过自由基捕获实验和能带结构分析，研究发现CAP的降解主要由羟基自由基（·OH）驱动。在黑暗条件下，Fe⁰通过与H⁺发生反应，生成Fe²⁺和氢自由基（H·），从而促进CAP的还原性降解。而在光照条件下，Fe₃O₄通过其特有的Fe³⁺/Fe²⁺价态转换，促进了光芬顿反应，从而生成更多的·OH自由基。这种协同效应使得催化剂在不同反应条件下均能保持较高的活性。

此外，研究还评估了催化剂在多次循环使用中的稳定性。通过磁性分离和水洗后重复使用，该催化剂在五次循环中仍能保持高活性，TOC去除率稳定在52%左右，说明其具有良好的可重复使用性。同时，通过ICP-OES分析，发现催化剂在水溶液中几乎没有铁的析出，表明其结构稳定，不会因反应而发生显著的溶解现象。

### 实际水体中的应用

为了验证该催化剂在实际水体中的应用潜力，研究还评估了其在含有常见无机离子的模拟真实水体中的性能。结果显示，尽管在黑暗条件下CAP的降解效率不受影响，但在模拟太阳照射下，由于离子的自由基捕获作用，矿化效率有所下降。这一现象表明，实际水体中的离子可能会影响催化剂的氧化效率，但总体而言，该催化剂仍表现出良好的性能，适用于实际水处理过程。

### 能耗分析与可持续性

在能耗方面，该系统表现出显著的优势。通过比较已有的光催化和光芬顿研究，发现Fe⁰/Fe₃O₄/USY复合催化剂在去除CAP方面所需的电能消耗远低于其他方法。这一结果表明，该催化剂不仅高效，而且在能耗方面具有显著优势，符合可持续发展的要求。因此，该系统具有良好的应用前景，特别是在处理制药和医疗废水等难降解污染物时。

### 结论

综上所述，本研究开发了一种基于Fe⁰/Fe₃O₄/USY复合催化剂的高效、可持续的水处理技术，能够有效去除环境中难降解的抗生素。该催化剂在黑暗和光照条件下均表现出优异的降解和矿化性能，同时具备良好的稳定性和可重复使用性。此外，其在实际水体中的应用也显示出良好的适应性，尽管存在一定的离子干扰。这些结果为开发高效、环保的水处理技术提供了新的思路，也为解决抗生素等新兴污染物的去除问题提供了科学依据。