Page 29 - 《精细化工》2021年第7期
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第 7 期 王 郑，等: 改性生物炭活化过硫酸盐应用及机理研究进展 ·1311·
能力成为了决定反应速率的关键因素，这主要是由 响 SDBC/PS 体系的活化性能和机制。
于吸附的强化加速了电子转移以及氧化降解。热解 目前，对于 BC 活化 PS 的活化机理以及自由基
温度为 400 ℃的 N-BC（简写为 N-BC400）活化 与非自由基活化途径之间的转化研究尚不清晰，不
PDS 是以 O 原子为中心的 PFRs 作活性位点，活化 成体系。针对不同的复杂水环境基质，如何合理地
自由基途径为主导。然而随着热解温度（700、800、 控制两种不同活化途径及其协同作用仍需进一步研
900 ℃）的提升，石墨化的 BC（简写为 N-BC700、 究。从不同活化途径的贡献度的量化以及精确调控
N-BC800、N-BC900）中大部分 PFRs 被清除，而且 活化途径的转化研究可能是未来 BC 应用于 SR-AOPs
PDS 分子与缺陷和 N 掺杂位点发生了强相互作用形 的研究发展方向。
成亚稳态表面反应性复合物，通过直接的电子传递
方式氧化共同吸附的有机污染物。 3 结语与展望
对 BC 进行适当的改性修饰可以增加活性位点，
BC 活化 PS 降解水中有机污染物的研究已引起
提高其催化活性，而其本质还是改性对活化途径的 学者的广泛关注，BC 材料结构中丰富的含氧官能
调控。WANG 等 [68] 研究的污泥衍生 BC（SDBC）/PDS
团、缺陷以及特有的持久性自由基都能激活 PS。更
活化体系中，自由基猝灭实验和 EPR 分析认为，活 重要的是中国生物质资源丰富，农业和林业等废弃
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化以自由基途径占主导，在较宽的 pH 范围内 SO 4 •
生物质原料的再利用符合“以废治废”理念，《中共
和•OH 都参与有机污染物的氧化降解。然而，YIN 中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规
等 [69] 将 SDBC 掺杂 N 原子后，发现碳结构中的掺杂 划和二〇三五年远景目标的建议》明确提出全面提
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N 物种和 Fe 物种可能作为 PDS 的活化位点， O 2 取 高资源利用效率以及推动能源清洁低碳安全高效利
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代了传统的 SO 4 •和•OH 等自由基作为活化体系中的
用 [74] 。BC 材料的应用不仅能加快中国生物质经济
主要反应物种，即转变为非自由基途径活化降解 的发展，还可以改善生态环境，发展潜力巨大。利
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SMX，甚至在 EPR 光谱检测中并没有发现 SO 4 •和
用酸碱改性、非金属杂原子单掺杂以及共掺杂、金
•OH 的信号。
属（氧化物）负载等改性手段不仅可以增加 BC 与
此外，有研究认为生物质原料的类型与固有成
PS 反应的活性位点，如掺杂 N、石墨碳和 Fe 物种等
分也会对 BC 的活化途径有所影响。生物质原料主
进一步提升活化性能降解有机污染物；而且伴随着
要分为木质纤维素类（秸秆、甘蔗渣、木屑等）和
纳米金属材料的引入还能使 BC 具有铁磁性，提高
非木质纤维素类（市政污泥、动物粪便、藻类），前 其可重复使用性及稳定性。
者的组分包括木质素、纤维素和半纤维素 [70] 。MENG 目前对于 PS 的活化机理仍需进一步研究，自由
等 [71] 对橘皮 BC 前驱体中纤维素和木质素的比例对 基途径（SO 4 •和•OH 等）矿化能力强，非自由基途
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BC 催化活性的影响展开了研究，发现橘络衍生 BC 径（ O 2 和表面电子传递等）更加安全、抗干扰能力
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（TP900）要比橘外皮衍生 BC（e-TPs900）催化活 及特异性更强，BC 的改性修饰可以实现对两种不同
性更强，这可能是由于前者纤维素含量更高，拥有 活化途径的转化，生物质原料类型与成分也对活化
更高的石墨化程度与比表面积。TP900/PMS 体系中 机制有所影响。根据实际的复杂水基质，对于两种
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以 O 2 和电子转移机制的非自由基途径为主导，其 活化途径的合理控制显得尤为必要。未来主要发展
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中 O 2 的生成以 C==O 为主要活性位点，而 TP900 方向如下：（1）将不同改性手段（杂原子掺杂与金
比 e-TPs900 有更高含量的 C==O。对于污泥衍生的 属负载）联用或 BC 耦合其他技术（超声、紫外活
BC 来说，由于污泥本身成分的复杂性，其制备的 化等），利用协同效应开发出更加高效且稳定的 BC
BC 催化活性也略有不同。不同的矿物质成分对污泥 基催化剂；（2）加强 BC 活化 PS 的实际应用，针对
的催化活性影响有所区别，含 Fe 矿物质有利于有机 实际废水中复杂的成分（HCO 3 、天然有机质等）的
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污染物的降解，而含 Ca 矿物质则起到抑制作用，可 干扰，研究对活化性能的影响；（3）深入活化机理
能是 Ca 减少了羟基的形成 [72] 。WU 等 [73] 研究发现， 研究，开展量化不同活化途径的贡献度以及精确调
富含有机物和 N 的 SDBC 具有更多的 N 杂环，进一 控活化途径之间的转化规律的研究。
步产生更多的 PFRs 信号，而金属含量更高的 SDBC
2+
3+
转化为离子和复合物（Fe 、Fe 、Fe—O 等）可以 参考文献：
直接活化 PS 或者发生类芬顿反应。尽管自由基和非 [1] WANG J L, WANG S Z. Activation of persulfate (PS) and
peroxymonosulfate (PMS) and application for the degradation of
自由基途径同时存在于 SDBC/PS 活化体系中，而非 emerging contaminants[J]. Chemical Engineering Journal, 2018, 334:
自由基途径的贡献却是相似的，活化的差异主要取 1502-1517.
[2] YANG Q, MA Y H, CHEN F, et al. Recent advances in photo-
决于 ROS 的产生。污泥的物理化学性质可以直接影 activated sulfate radical-advanced oxidation process (SR-AOP) for
