BIOCHAR | 协同改性强化生物炭表面持久自由基（PFRs）形成及其活化过一硫酸盐（PMS）降解苯胺研究

摘要

本研究创新性地提出了一种协同改性策略，即通过尿素和Na₂CO₃共同作用，优化生物炭表面PFRs形成，以提高其在PMS活化过程中的催化性能，并高效去除水中难降解污染物苯胺。在改性过程中，系统考察了不同热解温度和改性条件对PFRs生成的影响，并利用Spearman分析明确了C=C键、I_D/I_G比值以及吡啶氮等关键因素对PFRs生成的贡献。尿素和Na₂CO₃的协同改性有效提高了生物炭表面PFRs浓度，同时抑制了吡啶氮向石墨氮的转化，改变了生物炭表面化学特性。PFRs可以通过直接氧化以及间接生成活性氧（如SO₄^·−，·OH，O₂^·−和¹O₂）等方式主导苯胺降解，其中SO₄^·−和O₂^·−等活性物质的生成高度依赖于PFRs的浓度。最佳改性条件下，生物炭样品（MB500）在30分钟内即可去除92%的苯胺。该研究不仅揭示了协同改性对生物炭表面化学性能的调控机制，还为高效环境修复催化剂的开发提供了新思路。

图1. PFRs浓度与生物炭物化指标间Spearman相关性分析

图2. PFRs浓度、活性物质生成与苯胺去除率之间的关系

图3. 生物炭表面PFRs激活PMS去除苯胺机理

亮点

1

杂原子N和Na₂CO₃协同改性增加生物炭表面PFRs形成。

2

吡啶环以及含氧官能团是PFRs生成的主要来源。

3

苯胺降解过程由PFRs介导的催化氧化所主导。

4

SO₄^·−和O₂^·−的生成显著依赖于PFRs的浓度。

5

苯胺的降解由O₂^·−自由基和¹O₂非自由基共同完成。

结论

1

杂原子N与Na₂CO₃改性对PFRs生成具有协同效应，C=C键、ID/IG比值及吡啶氮是影响PFRs生成的决定性因素，尤其是吡啶氮。

2

O₂^·−是苯胺降解的主要贡献者，且参与非自由基¹O₂的生成。

3

基于PFRs作用的MB500/PMS催化反应体系对多种阴离子表现出优良的耐受性，并可以多次循环使用。

作者简介

赵子龙

重庆市科学技术研究院

哈尔滨工业大学（深圳）

副研究员，深圳/重庆市高层次人才。主持国家、省市重点专项等项目10余项，发表SCI论文近50篇，获授权专利9项，参编著作3部，获省市/协会奖励4项。研究方向：生物炭基功能材料；VOCs治理与资源化；水处理高级氧化。

董文艺

哈尔滨工业大学（深圳）

教授，深圳市“国家级”高层次人才。承担国家级、省部级科研项目10余项，深圳市地方科研项目近百项，在ES&T、Water Research等期刊发表论文100余篇，获授权专利40余项。研究方向：水体污染控制理论与技术；环境新材料与新设备。

论文链接

https://link./article/10.1007/s42773-024-00416-0