摘要
近年来，活化过一硫酸盐（PMS）降解水中有机污染物备受关注。最常见的PMS活化剂之一是金属氧化物，其中Fe2O3具有稳定性好、无毒、来源广泛等特点而受到关注。但是Fe2O3在活化PMS过程中存在Fe2+/Fe3+氧化还原循环缓慢问题，使得Fe2O3活化效率较低。本文通过调节α-Fe2O3表面微结构（氧空位、表面羟基）来提高α-Fe2O3的活化效率，并探讨表面微结构对α-Fe2O3活化PMS的影响机制。研究结果以期为活化PMS的催化剂设计拓展新途径。 首先，采用沉淀-煅烧法合成含有不同氧空位的α-Fe2O3。表征结果显示，催化剂呈长条针状，在300℃煅烧α-FeOOH形成的α-Fe2O3（Fe2O3-300℃）具有更多的氧空位。活化PMS降解磺胺甲恶唑（SMX）的结果表明，Fe2O3-300℃对PMS的活化效率最高。反应体系中单线态氧（1O2）是主要的活性物种，催化剂中氧空位是主要的活性位点。氧空位可以增强周围O2-的迁移率以产生活性氧（O*），O*再与PMS反应生成1O2。Fe2O3-300℃活化PMS降解SMX的效果在研究范围内随PMS浓度的增加、催化剂投量的增多、SMX浓度的降低及温度的升高而提升，pH=8.0时活化性能最好，反应活化能为35.0kJmol-1。另外，Fe2O3-300℃/PMS体系对双酚A和环丙沙星也表现出良好的去除效率。SMX降解过程产生了7种中间产物。五次重复使用后SMX的去除率仅下降17.2%，催化剂的稳定性良好。 其次，采用NaOH溶液对500℃煅烧α-FeOOH得到的α-Fe2O3（Fe2O3-500℃）进行改性，改性后催化剂的微观形态、晶体结构不变。然而，NaOH浓度越高催化剂比表面积越大，孔径变小；氧空位含量减少，表面羟基含量增多，表面零电荷点升高。由于静电作用，HSO5-更易与催化剂表面结合，因此改性后的催化剂活化PMS的效果变好。0.1MNaOH改性后的催化剂（Fe2O3-500℃-0.1）具有最多的表面羟基和最高的PMS活化效率，反应中活性物种主要为1O2，催化剂的氧空位是主要的反应位点，表面羟基参与活化过程。SMX的降解速率在pH值大于7.0后趋向于稳定，活化能为34.6kJmol-1。另外，体系内Cl-、NO3-、离子强度和溶解氧对SMX降解没有影响，而HCO3-、HPO42-和SO42-有抑制作用。反应体系检测出8种SMX的降解产物。五次重复使用实验结果表明，该催化剂稳定性良好，SMX的去除率仅下降14.5%。 最后，本文对比分析了不同表面微结构Fe2O3活化PMS的效能、pH适用性、反应机理、SMX降解路径、稳定性，发现Fe2O3-300℃活化效果好于Fe2O3-500℃-0.1，Fe2O3-500℃-0.1的活化能低于Fe2O3-300℃，两个体系的最优pH范围均为7~9，降解效果稳定，并推测出非自由基体系中SMX共有的3种可能的降解路径，为后续的PMS活化技术中的非自由基体系研究提供了新思路。
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