同济大学ACS ES&T Engineering：在基于 Co3O4/PMS的分级反应器中揭示Co(IV)介导的氧化机制

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第一作者： Qiuying Yi

通讯作者： 戴若彬   助理教授/ 王志伟   教授 

通讯单位： 同济大学环境科学与工程学院

论文 DOI ： 10.1021/acsestengg.2c00087

图文摘要

成果简介

以金属(氧化物)/过氧单硫酸盐(PMS)为基础的分级反应器是一种新兴的非均相高级氧化废水处理技术。HO•、SO ₄ ^•- 和 ¹ O ₂ 被认为是这些反应器中主要的活性氧化剂，有助于污染物的降解。然而，反应器中潜在生成的高价金属对污染物降解的可能贡献很少被研究。 近日， 同济大学环境科学与工程学院 戴若彬 / 王志伟 老师团队 在环境领域期刊ACS ES&T Engineering上发表题为“Unraveling the Co(IV)-Mediated Oxidation Mechanism in a Co3O4/PMS-Based Hierarchical Reactor: Toward Efficient Catalytic Degradation of Aromatic Pollutants ” 的研究型文章。 在这项工作中， 作者揭示了在Co ₃ O ₄ /PMS分级反应器中Co(IV)介导的氧化降解芳香族污染物的机理。基于Co ₃ O ₄ /PMS的分级反应器表现出对芳香族有机污染物的有效降解（>90%）。电子顺磁共振表征、自由基猝灭和探针氧化实验证实，Co(IV) 是基于Co ₃ O ₄ /PMS的分级反应器中的主要活性物质。进一步的清除剂实验证实，Co(IV) 在去除芳香污染物方面起着至关重要的作用。在Co ₃ O ₄ /PMS分级反应器中，大部分的Co(IV)来源于Co ₃ O ₄ 的固定化，而不是Co ^x+ 离子的浸出。作者的研究揭示了反应器中高价金属物种对芳香族污染物降解的关键作用，这将有助于理解异质性金属(氧化物)/ PMS体系所涉及的机制。

图文导读

【 基于Co ₃ O ₄ /PMS的分级反应器的构建 】

Figure 1. (a) Fabrication process of the 3D Co ₃ O ₄ /rGO aerogel as the Co ₃ O ₄ /PMS-based hierarchical reactor and (b) schematic illustration of the filtration setup for performance evaluation of the Co ₃ O ₄ /PMS-based hierarchical reactor.

【 基于Co ₃ O ₄ /PMS的分级反应器的基本特性 】

Figure 2. (a) XRD spectra of GO, rGO, Co ₃ O ₄ , and Co ₃ O ₄ /rGO. (b) DTA-TG curve of Co ₃ O ₄ /rGO. SEM images (c–e) and (f–i) elemental mapping of the Co ₃ O ₄ /rGO aerogel as the Co ₃ O ₄ /PMS-based hierarchical reactor.

【 基于 Co ₃ O ₄ /PMS的分级反应器催化降解芳香族污染物 】

Figure 3. Degradation efficiency of various aromatic organic contaminants in the PMS and Co ^{x +} /PMS catalytic systems, as well as in the Co ₃ O ₄ /PMS-based hierarchical reactor. Reaction conditions: [PMS] ₀  = 0.5 mM, HRT = 8 min (the retention time of wastewater in the reactor), pH = 10.8 (initial pH); the initial concentration of each aromatic pollutant: [phenol] ₀  = [BA] ₀  = [NB] ₀  = [BPA] ₀  = [CBZ] ₀  = [SMX] ₀  = [NOR] ₀  = [TC] ₀  = 50 μM, [MB] ₀  = 20 mg/L; the degradation efficiency of the Co ₃ O ₄ /PMS-based hierarchical reactor was tested in the stable degradation stage (at 14 h) of the flow-through process, and the mass flow of organic pollutants and PMS was 0.2–0.9 and 6.6 mg/h, respectively; the concentration of Co ^{x +}  in the Co ^{x +} /PMS (a homogeneous PMS system with cobalt ions as the catalyst) system was 0.2 mg/L.

【 基于 Co ₃ O ₄ /PMS的分级反应器 中活性物质的识别 】

【 Co(IV) 在 基于 Co ₃ O ₄ /PMS的分级反应器 中 的主要作用 】

Figure 5. (a) Adsorption configuration and (b) charge density of cobalt on the surface of Co ₃ O ₄  in the presence of PMS. The blue, red, yellow, and white balls represent Co, O, S, and H elements, respectively.

【 操作条件对Co(IV)生产效率的影响 】

Figure 6. Final concentration of PMSO and PMSO ₂  as well as the conversion efficiency of PMSO to PMSO ₂  in the Co ₃ O ₄ /rGO/PMS system under different (a) pH conditions and (b) HRTs. (c) Activation efficiency of PMS in the Co ₃ O ₄ /rGO/PMS process under different HRTs. (d) Fitted production rates of PMSO ₂  in different catalysis processes. 

【 基于 Co ₃ O ₄ /PMS的分级反应器 的长期运 行稳定性 】

Figure 7. Operation stability of the Co ₃ O ₄ /PMS-based hierarchical reactor. (a) Degradation efficiency of phenol and (b) PMS activation efficiency as well as the leaching concentration of cobalt ions in effluent over a 10-day continuous filtration operation in a flow-through system.

小结

文献信息

Qiuying Yi , et al. Unraveling the Co(IV)-Mediated Oxidation Mechanism in a Co3O4/PMS-Based Hierarchical Reactor: Toward Efficient Catalytic Degradation of Aromatic Pollutants , ACS ES&T Engineering, 2022

论文DOI: 

https://doi.org/10.1021/acsestengg.2c00087

备注:  Permissions for reuse of all Figures have been obtained from the original publisher. Copyright 2022,  ACS Publications Inc.

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