英文原题：Efficient chloroquine removal by Electro-Fenton with FeS2 modified cathode: Performance, influencing factors, pathway contributions and degradation mechanisms
第一作者：林颖辉
通讯作者：陈学明
通讯单位：福州大学环境与安全工程学院
引言
作为一种治疗类风湿性关节炎、结缔组织病和阿米巴痢疾的药物，氯喹（CLQ）的大规模生产使用增加了它的排放。由于其抗菌/抗病毒性以及高持久性和生物累积性，CLQ已对环境造成了相当大的威胁。因此，亟需一种既能高效去除废水中的CLQ，又能将其转化为易生物降解或无害物质的可行技术。传统的电芬顿技术能去除部分CLQ，但还需要解决一些包括较窄的最佳pH值范围（2.8-3.2）以及后续对产生的铁污泥的处理问题。最近，黄铁矿（FeS2）因其价廉易得且能调节水中pH从而提供电芬顿所需的酸性环境并避免后续的铁泥处理的优点而被广泛研究。
文章亮点
近日，福州大学陈学明教授团队在ACS ES&T Water上发表了题为“Efficient chloroquine removal by Electro-Fenton with FeS2 modified cathode: Performance, influencing factors, pathway contributions and degradation mechanisms”的论文。文中构建以FeS2改性的碳毡作为阴极，钌铱钛电极作为阳极的电芬顿体系（EF-FeS2/GF），在该改性体系中对CLQ进行氧化降解，最终达到了较高的去除效率。此外还研究了相关的影响去除效率主要因素（电流强度、催化剂使用量以及电极间距），推断CLQ在该体系处理中的降解路径并对所产生的中间产物进行毒性分析。
图文解读
将直接投加催化剂FeS2的电芬顿体系（EF-FeS2）与EF-FeS2/GF对CLQ的氧化降解效果（CLQ去除效率以及总有机碳去除效率）进行对比（图1），得到表现更为优越的EF-FeS2/GF, 并对该体系的稳定性进行评估。
图1：CLQ (a) removal and (b) mineralization efficiencies of EF-FeS2/GF and EF-FeS2, and (c) CLQ removal efficiency in EF-FeS2/GF in reusability tests. Conditions: CLQ concentration = 5 mg/L, FeS2 loading amount =10 mg, current density applied = 150 mA, SBE = 2.0 cm.
为了明确不同过程对CLQ的去除贡献，进行了对比实验（图2）。最终明确了在EF-FeS2/GF中吸附和电催化对CLQ的去除均有促进作用，而电芬顿过程加速并主导了CLQ的去除。此外，通过猝灭实验及EPR实验，证实了•OH的存在及其氧化降解CLQ的高效作用。
图2：(a) CLQ removal by adsorption, electrocatalysis and EF, (b) CLQ removal in EF-FeS2/GF with and without addition of TBA, and (c) DMPO spin-trapping EPR spectra in EF-FeS2/GF.
大量研究表明，以•OH为主导氧化剂的电芬顿体系可高效矿化废水中的难生物降解有机物。对CLQ在体系中产生的中间产物进行分析，推断出可能的降解路径。如图3所示，CLQ的侧链被•OH持续攻击，发生乙基化和连续脱氨过程；芳香族产物发生氧化开环，上述中间产物形成小分子产物（P9-P12），最终矿化为CO2、H2O、无机氮和硝酸盐。为研究该体系降解CLQ的中间产物的毒性，通过生物毒性进行评估（图4）。结果显示，在EF-FeS2/GF体系中的降解产物对水生生物毒性较CLQ大大降低，这进一步证明该改进技术是一项能将CLQ转化为易生物降解或无害物质的可行技术。
图3：Postulated CLQ degradation mechanisms in EF-FeS2/GF.
图4：Acute toxicities of CLQ and its degradation intermediates to (a) Daphnia magna LC50 (48 h), (b) Fathead minnow LC50 (96 h), (c) T. pyriformis IGC50 (48 h), (d) Bioconcentration factor, and (e) Mutagenicity.
总结/展望
本研究构建了以FeS2改性的碳毡作为阴极，钌铱钛电极作为阳极的电芬顿体系（EF-FeS2/GF），在该改性体系中对氯喹（CLQ）进行氧化降解。该体系不仅提高了FeS2的催化效果，而且提供了电芬顿工艺所需的稳定酸性环境。在FeS2投加量为在10 mg、电流强度为150 mA、电极间距为2.0 cm反应时长为60 min时，CLQ的去除效率达到83.3±0.4%。其中，吸附和电催化均有助于CLQ的去除，而电芬顿过程在通过产生的•OH在去除CLQ的过程中起主导作用。最后提出了两种可能的CLQ在EF-FeS2/GF中的降解途径。与CLQ相比，其中间产物的生态毒性普遍较低。这项研究提供了一种能够有效去除CLQ的新方法，将有助于未来在电芬顿技术中使用以FeS2改性的碳毡阴极作为处理含CLQ废水的实际应用。
通讯作者简介：
陈学明 教授
陈学明（Xueming Chen），2017年获澳大利亚昆士兰大学环境工程博士学位；2017年至2020年在丹麦技术大学化工系进行博士后研究；2020年7月进入福州大学环境与安全工程学院工作，任特聘教授/研究员。现已在国际顶级SCI期刊（Environmental Science & Technology、Water Research、Biotechnology and Bioengineering等）发表近90篇论文，h指数为28。2018年入选欧盟委员会（European Commission）玛丽居里学者，2020年入选闽江学者特聘教授。担任Science of the Total Environment、Journal of Environmental Management等十余个学术期刊副主编/编委。
主页链接：
https://es.fzu.edu.cn/info/1436/7060.htm
转自：“ACS美国化学会”微信公众号
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