Page 60 - 《精细化工》2022年第1期

·50· 精细化工 FINE CHEMICALS 第 39 卷

2.2 芬顿体系
10 h 可去除 92.9%的对硝基苯酚。源于污泥的 SiO 2
组分通过形成 Si—O—Ti 键增加吸附位点以及改善 传统的芬顿体系是基于 Fe 在 pH 为 2.5~3.0 的
2+
TiO 2 带隙结构，增强光催化活性；此外，污泥中多 条件下，活化 H 2 O 2 产生高氧化性的•OH（氧化电位
种过渡金属元素（铁、铜和铬）原位掺杂至 TiO 2 中， E 0 =2.80 V） [36] 来降解污染物。然而，pH 适应范围
增强其可见光响应性。MIAN 等 [35] 通过污水污泥和 窄、铁基污泥产生量大、难以回收利用等缺点，限
铁钛浸渍的壳聚糖共热解制得新型 TiO 2 /Fe/Fe 3 C-生 制了均相芬顿体系的实际应用。非均相类芬顿体系
物炭复合材料，可见光照射下对亚甲基蓝的去除率
在较大 pH 范围内可有效降解污染物，且催化剂可
达 96%。
回收再利用，受到了研究人员的广泛关注。污泥生
综上，污泥生物炭为载体的 TiO 2 光催化剂在水
物炭含有多种铁基矿物，是有前景的非均相类芬顿
体污染物去除方面取得了良好成效。污泥生物炭增
催化剂，已成功用于多种污染物的去除。污泥生物
强光催化作用机制如图 2 所示：（1）污泥生物炭的
炭中的含铁组分作为主要的活性位点受到研究人员
较大比表面积避免了 TiO 2 颗粒的聚集，同时，其多
的关注，但却忽略了表面含氧官能团、缺陷结构、
孔结构以及表面官能团可通过氢键、π-π 相互作用等
持久性自由基等位点对 H 2 O 2 活化的影响。因此，应
方式促进污染物吸附至催化剂表面，此外，石墨化
更全面关注生物炭表面多种活性位点与芬顿体系降
结构能够使得生物炭作为电子转移介体促进电子-
解效果之间的对应关系，充分发挥生物炭在芬顿体
空穴对分离；（2）污泥中的无机组分，如 SiO 2 、过
系的作用潜力。
渡金属等，经热解后与 TiO 2 相互作用，缩小 TiO 2
的带隙，增强了电子-空穴对的分离效率。 表 2 总结了不同污泥生物炭在类芬顿体系中降
解水体污染物的应用。生物炭表面铁位点在类芬顿
体系中发挥关键作用。如 LI 等 [37] 制备的污泥生物炭
（SBC）含有丰富的 Fe 2 O 3 和 Fe 2 P 位点，协同吸附
和 H 2 O 2 活化过程，在 pH=4.0 时对环丙沙星（CIP）
0
去除率达 90%。此外，Fe 、Fe 0.95 C 0.05 、FeAl 2 O 4 和
Fe 3 O 4 等铁位点能够同时引发均相与非均相类芬顿
反应，促进污染物的降解。如 GAN 等 [38] 制备的污
0
泥富铁生物炭表面 Fe 和 Fe 0.95 C 0.05 位点可通过浸出
2+
的 Fe 引发芬顿反应，而 FeAl 2 O 4 和 Fe 3 O 4 位点则通
过表面低价态 Fe 直接参与 H 2 O 2 的活化。同时，铁
位点能够增强污泥生物炭的稳定性。ZHANG 等 [19] 将
生物污泥与铁基污泥混合制备了 MBC。生物炭与
Fe 3 O 4 之间的强化学键合作用显著增强 MBC 的稳定

性与可重复利用性，经 5 次循环对亚甲基蓝的去除
图 2 污泥生物炭在光催化体系的作用机制
Fig. 2 Mechanism of sludge-based biochar in photocatalytic 率达 98%。除铁位点外，生物炭表面持久性自由基
system （PFRs）同样能够激活 H 2 O 2 。HUANG 等 [39] 发现，
污泥生物炭表面 PFRs 与 H 2 O 2 发生单电子转移产生
如式（1）~（4）所示，带隙减小的 TiO 2 吸收
+
–
可见光，激发产生导带电子（e ）和价带空穴（h ）； •OH，对三氯乙烯的去除率达 83.0%。
此外，光芬顿技术可用于强化污染物的去除 [36] 。
同时，掺入的金属作为杂质能级也可被光能量激发
如王文刚等 [40] 利用脱水污泥基铁炭复合催化剂，通
产生电子跃迁进入导带；空穴和表面吸附的水
–
（H 2 O ads ）或氢氧根（OH ads ）反应生成•OH，而电 过光芬顿降解罗丹明 B。紫外光、催化剂和 H 2 O 2
–
–
子和表面 O 2 结合生成 O 2 •；最终，•OH 和 O 2 •活性 三者相互作用，实现罗丹明 B 的完全去除。同时，
物种攻击表面吸附的污染物，使其氧化分解。 光的引入能够诱导光催化反应，协同芬顿反应加速
+
–
TiO 2 + hν → TiO 2 (e , h ) （1） 污染物去除。如 MIAN 等 [35] 制备出污泥衍生的
–
+
h + OH ads → •OH （2） TiO 2 /Fe/Fe 3 C-生物炭并用于光芬顿体系降解亚甲基
+
h + H 2 O ads → •OH + H + （3） 蓝。吸附、光催化以及非均相类芬顿反应共同实现
–
–
e + O 2 → O 2 • （4） 亚甲基蓝的高效去除。