郭婉茜团队ES&T：水铁矿耦合高铁酸盐体系提升对有机化合物的氧化—分子内电子转移和中间铁物种的作用

近日，郭婉茜教授课题组在环境领域权威期刊Environmental Science & Technology 上发表了题为“Enhanced Oxidation of Organic Compounds by the Ferrihydrite−Ferrate System: The Role of Intramolecular Electron Transfer and Intermediate Iron Species”的补充封面论文（Supplementary Cover）。文中报道了一种基于络合介导的水铁矿-高铁酸盐的化学氧化体系，以提升对水中磺胺甲噁唑（SMX）等抗生素的氧化降解。水铁矿-高铁酸盐体系呈现出两步氧化过程，即先通过分子内电子转移过程实现SMX的初步氧化，再通过中间铁物种（FeIV/FeV）实现对磺胺甲噁唑的进一步的氧化过程。考虑到Fe³⁺是提升高铁酸盐降解有机物的有效催化剂，然而当pH≥7.5时，Fe³⁺会迅速的转化为沉淀的颗粒铁，因此在这一反应过程中的颗粒铁表面对高铁酸盐活化作用可能未被考虑到。因此，与之前报道的高铁酸盐在金属离子（如Co²⁺和 Fe³⁺）或还原剂（如NH₂OH和SO₃²⁻）体系中的氧化还原机制不同，高铁酸盐可在水铁矿表面络合吸附，从而生成具有比单独高铁酸盐更高的氧化电位的络合物。而磺胺甲噁唑的氨基与该络合物进一步结合，通过分子内电子转移机制实现初步氧化。由水铁矿-高铁酸盐络合物生成的FeIV/FeV物种可以进一步降解磺胺甲噁唑。高铁酸盐损耗实验表明，水铁矿能加速高铁酸盐的分解。同时研究了 pH值、阴离子、腐植酸和天然水体对水铁矿-高铁酸盐降解磺胺甲噁唑的影响。总之，水铁矿的存在将会更有效地催化高铁酸盐来氧化有机污染物。

在氧化降解水中有机污染物方面，尽管通过引入水铁矿可以适当降低对较昂贵的高铁酸盐的需求，但是该体系对于富含磷酸盐的水质的处理效果会受到明显抑制。同时对于如何控制高铁酸盐分解，使其更有针对性地处理有机废水的难题仍有待探索。不过由于水铁矿和高铁酸盐也可被用于铁絮凝剂，因而水铁矿-高铁酸盐组合也不失为一种绿色无毒的废水预氧化处理工艺。本研究的发现将为利用电子转移促进机制处理碱性有机废水提供可能。

实验室郭婉茜教授和哈尔滨工业大学助理教授王华哲为论文的通讯作者，吴耀华博士为第一作者，重点实验室为通讯单位。

文章链接：https://doi.org/10.1021/acs.est.3c05798。