水是人类赖以生存的重要物质。较之海水，淡水资源显得十分匮乏。因此，水质净化和污水处理成为水资源有效利用的重要环节。活性炭(AC) 具有高比表面积、无毒、耐酸碱等优点，是水质净化和污水处理中难以替代的优异吸附剂。相比颗粒活性炭(GAC)，粉末活性炭(PAC)具有更大的吸附容量与更快的吸附速率，应用效果更佳。然而，AC吸附有毒和不可生物降解的有机污染物后，只能作为危废处理。无论从经济角度，还是从安全考虑，可持续的、高性价比的AC再生处理是迫切需要的。
目前，工业上主要应用的是热再生技术，但存在工序复杂，运行温度高，能耗高等缺点。热再生PAC，还存在粉尘爆炸的隐患。如何再生PAC，基于H2O2活化的再生技术应用而生。传统的均相Fenton再生，是将H2O2活化成强氧化性的羟基自由基，氧化降解吸附的有机污染物，但需要pH=2-4的酸性环境，并且存在Fe2+的牺牲。另外，自由基的非选择性攻击，也造成AC不可避免的损失，导致再生成本较高(GAC再生的成本为1.32美元/kg甚至更高)。由于PAC的吸附容量更大，其再生所需的H2O2成本更高。如果能够提高再生效率，降低再生成本，就可能大规模应用这一技术。
中国科学院宁波材料技术与工程研究所陆之毅课题组在商业PAC上构建孤立的Fe位点（Fe-PAC），在保证PAC吸附性能的情况下，增加H2O2活化位点，实现高效、低成本的再生。以罗丹明B为模型污染物，Fe-PAC经过24 h再生，吸附性能恢复70.5-92.7%，循环使用次数可达10次以上，其平均PAC损失量不到均相工艺的1/2，再生成本可低至0.35美元/kg，并且适用于含亚甲基蓝或结晶紫的模拟污水。他们还发现，Fe-PAC经过24 h活化后，催化性能大幅度提升，Fe的TOF、降解速率以及准一级反应常数分别达到了3.61 h–1、3.25 mg g–1 min–1和0.0466 min–1，媲美均相Fenton。他们认为活化后的Fe位点是真正的活性位点，并通过冷冻EPR和低温穆斯堡尔谱等operando测试和密度泛函理论(DFT)计算进行验证，确认孤立的HO-Fe=O基元通过非自由基路径活化H2O2产生Fe基活性氧物种，选择性攻击吸附在PAC表面的有机污染物。该研究首次揭示了原子级分散的Fe位点在PAC再生中的重要作用，为基于H2O2活化再生技术的大规模应用提供了理论和物质基础。
相关工作以“Cost-effective H2O2-regeneration of Powdered Activated Carbon by Isolated Fe Sites”为题，发表在Advanced Science (DOI: 10.1002/advs.202204079)上，文章第一作者为宁波材料所陈徐助理研究员和田子奇研究员，通讯作者为宁波材料所陆之毅研究员。
论文信息：
Cost-effective H2O2-regeneration of Powdered Activated Carbon by Isolated Fe Sites
Xu Chen, Ziqi Tian, Qihao Yang, Linjuan Zhang, Qiu Yang, Liang Chen, Zhiyi Lu
Advanced Science
DOI: 10.1002/advs.202204079