调控黄钾铁矾粒径提高其类芬顿催化活性的研究(2)
类芬顿反应是除了Fe2+之外，过渡金属，如Co、Cd、Cu、Zn、Ni和Mn等，以及一些固相催化剂可以代替Fe2+催化H2O2分解产生•OH一类反应的总称[1]。与芬顿反应相比，大多数类芬顿反应催化剂是固态而且具有环境适应性强、催化效率高、铁离子溶出率低和方便回收等特点。因此，类芬顿氧化技术比芬顿氧化技术具有更广泛的应用。研发异相类芬顿催化剂也早已成为了国内外研究的重点。自然界中存在诸多的含铁矿物，它们广泛分布于土壤、矿山和水体中。天然的铁氧化物主要有针铁矿、磁铁矿、赤铁矿、纤铁矿、黄铁矿、菱铁矿和电气石等。目前，含铁矿物作为类芬顿催化剂降解有机污染物的研究较多。Cheng等[2]和Caudo等[3]发现铁氧化物在保证治理效果不受pH影响的前提下，可以在较大pH范围内催化H2O2修复受污染的地下水。Chen等[4]认为这是由于矿物表面Fe与H2O2不断反应生成•OH，同时也阻碍了高pH条件下氢氧化铁的产生。Usman等[5]利用磁铁矿作为类芬顿反应催化剂修复受多环芳烃污染的土壤，取得了较好的效果，从而指出磁铁矿在有机污染土壤的原位修复领域具有较好的应用前景。Oliveira等[6]利用针铁矿和赤铁矿两种形态的含铁矿物在H2O2存在的条件下处理废水中的亚甲基蓝，结果表明两种矿物可以通过类芬顿反应使亚甲基蓝褪色甚至完全矿化。根据Voelker和Kwan[7]的自由基理论，含铁矿物催化的类芬顿反应发生在矿物表面，可由式1-7表示。
≡Fe3+ + H2O2 → ≡Fe(HO2)2+ + H+ （1）
≡Fe(HO2)2+ → ≡Fe2+ + HO2• （2）
≡Fe2+ + H2O2 → Fe3+ + •OH + OH- （3）
•OH + H2O2 → H2O + HO2• （4）
≡Fe2+ + •O2- → Fe3+ + O2 （5）
≡Fe3+ + HO2• → ≡ 2+ + HO2- （6）
≡Fe2+ + HO2-→ ≡Fe3+ + HO2• （7）
目前，已有研究表明黄钾铁矾可作为一种类芬顿催化催化降解难降解有机物。Xu等[8]报道黄铁矾可高效催化光芬顿反应降解甲基橙，但是发现生物合成的黄钾铁矾催化的类芬顿反应效率并不高。Yan等人[9]比较了生物合成的黄钾铁矾和施氏矿物催化类芬顿反应的活性，研究发现黄钾铁矾催化活性较低，其催化反应过程中不仅诱导期较长，而且反应速率也较低（k = 0.0126 min-1）。值得注意的是，他们所合成的黄钾铁矾用了7 d时间，而且所合成的矿物颗粒较大，团聚现象十分明显，比表面只有1.47 m2/g，由于矿物的比表面积对其催化速率影响较大，所以这可能是导致其催化速活性低的原因。Kwan等[10]在利用类芬顿氧化技术处理污水中的甲烷和一氧化碳时，分别采用两种纳米级铁矿物和赤铁矿作为催化剂，研究表明两种催化剂的效果都很好，但纳米矿物的催化效果明显高于赤铁矿。Xu等[11]研究发现在纳米级Fe3O4 MNPs的催化作用下，苯酚、双酚A及2,4-DCP都有较好的去除效果。Hanna等[12]在使用铁氧化物催化降解甲基红的实验中得出甲基红的降解速率随着矿物比表面积的减小而下降。然而，人为调控A. ferrooxidans合成黄钾铁矾可以在12小时内获得一定量的矿物[13]，所以通过人为控制成矿时间也许可以获得粒径更小，比表面更大，催化活性更大的黄钾铁矾。
因此，本研究以成矿时间为1d和10d的两种黄钾铁矾作为类芬顿催化剂，以苯酚作为目标污染物，研究不同粒径黄钾铁矾对苯酚降解的影响，分析粒径对催化活性的影响，以期为黄钾铁矾在类芬顿氧化技术中的应用提供参考。