叶绿素衍生物催化过氧化氢降解BPA的类芬顿反应机理研究

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芬顿反应通过亚铁离子与双氧水之间的作用,可以产生强氧化性的羟基自由基(·OH),在工业废水处理中已经有实际应用,但由于反应需要在酸性条件下进行,且不断投加的铁盐会产生大量铁泥,造成二次污染,使其具有一定的局限性。近年来以一些有机化合物作为铁离子的配体形成的类芬顿反应,由于其pH适用范围广,铁泥产量小等优势,引起了研究者们的广泛关注。但在目前关于类芬顿反应的研究中,仍然存在降解效率低,配体的生物毒性大,合成路径复杂,成本较高等问题。因此,本文将一种以天然叶绿素为原料制备的叶绿素卟啉大环和铁离子配位形成的配位化合物(Sodium Ferric Chlorophyllin,SFC)作为类芬顿反应催化剂,以过氧化氢(H2O2)作为氧化剂,实现了目标污染物双酚A(Bisphenol A,BPA)在宽pH范围内的高效降解。本文主要研究内容和研究结果包括:(1)通过优化实验研究了叶绿素衍生物(SFC)浓度、H2O2浓度和溶液pH对BPA降解效率的影响。在最佳的反应条件下,即摩尔比SFC:BPA:H2O2=1.2:1.0:50,pH为9.0时,经过5 min的反应BPA的去除率为95%以上,反应速率常数为酸性条件下传统芬顿反应的8倍左右,并且普遍高于目前文献报道的其他类芬顿体系。此外,SFC作为类芬顿反应催化剂具有一定的稳定性,在反应过程中几乎检测不到浸出的铁离子,并且对传统芬顿反应影响较大的Cl-、SO42-、HCO3-等水体中常见的阴离子和腐殖酸的加入并不会降低SFC体系的降解效率。(2)通过自由基淬灭实验、EPR、UV-Vis和环己烯环氧化实验初步确定了SFC体系中产生的活性氧物种为高价铁氧卟啉π阳离子自由基,O=Fe (Por),随后用傅里叶变换高分辨质谱和穆斯堡尔谱进一步确定了O=Fe (Por)的分子结构和铁的价态。(3)利用Gaussian对三种自旋多重度(Doublet、Quartet、Sextet)下的反应过程进行了密度泛函理论(Density Functional Theory,DFT)模拟计算,在每个多重度下确定了6个具有代表性的反应中间体以及2个关键的过渡态结构,为SFC与H2O2反应过程的分析提供了一定的理论依据。计算表明SFC催化H2O2分解时,H2O2的O-O键是均裂的,会产生一个·OH,但·OH并不会释放到溶液中与底物发生反应,而是继续与该体系作用,按照“质子耦合电子转移”的方式得到H2O2的另一个质子以及SFC卟啉环上的一个电子,形成一个稳定的H2O分子和O=Fe (Por)。此外,SFC催化H2O2的反应更倾向于在Doublet和Quartet下进行,因为其反应的能垒更低。
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