添加木醋液的、负载铁的咖啡渣生物炭活化过硫酸盐用于去除持久性有机污染物

《Sustainable Materials and Technologies》：Wood vinegar-enhanced iron-loaded coffee grounds biochar activated persulfate for removing persistent organic pollutants

　　双酚A降解高效催化剂V-Fe@N-BC通过木醋液改性氮掺杂咖啡渣生物炭负载铁制备，其比表面积达396.77 m2/g，羰基含量增至35.79%，催化活化过硫酸钾降解持久性有机污染物的效率提升6倍，兼具环境适应性和可回收性，实现 agroforestry 废物资源化与污染治理协同。

　　
本研究聚焦于开发一种基于农业废弃物资源化利用的新型催化剂体系，通过木醋液改性氮掺杂咖啡渣生物炭负载铁催化剂（V-Fe@N-BC），在过硫酸钾活化降解持久性有机污染物领域展现出显著优势。该成果为突破传统化学改性对环境造成二次污染的难题提供了创新解决方案，同时实现了农业废弃物的高值化利用。

研究团队从工业废水治理的现实需求切入，重点针对双酚A（BPA）这一典型内分泌干扰物的降解难题展开系统研究。传统硫酸盐高级氧化过程（AOPs）虽能有效分解有机污染物，但存在催化剂再生困难、反应介质腐蚀性强等问题。基于此，研究将目光投向生物质资源转化领域，通过氮掺杂和铁基催化剂协同作用，结合木醋液改性技术，构建了具有多重功能协同的新型催化体系。

在材料制备方面，研究创新性地采用"两段式"改性策略。首先对咖啡渣进行氮掺杂预处理，通过尿素热解在生物炭表面引入含氮官能团，构建出Fe@N-BC的基础载体。该载体经表征显示具有适宜的孔隙结构（比表面积145.78 m2/g）和稳定的铁基活性位点分布。随后引入木醋液作为新型酸改性剂，替代传统强酸（如硝酸、硫酸），在保持高效氧官能团修饰的同时显著降低环境风险。

改性工艺的优化体现在微结构调控与活性位点协同增强两方面。木醋液富含有机酸（如乙酸、丙酸等）及酚类化合物，在温和酸性条件下促进生物炭表面多级孔结构的形成。实验数据显示，经木醋液改性后催化剂比表面积提升至396.77 m2/g，较原始材料增长172%。这种结构优化不仅增强了表面积活性位点密度，更通过木质素衍生物与铁基的配位作用，形成稳定的表面负载态铁催化剂。

催化性能测试表明，V-Fe@N-BC体系在BPA降解方面展现出卓越表现。其降解速率常数达到非木醋液改性材料的6倍，在60分钟内即可实现98%以上的BPA降解效率。对比实验证实，单纯物理吸附或化学吸附材料在处理持久性有机污染物时存在明显局限，而V-Fe@N-BC通过铁基催化、表面官能团协同及多孔结构支撑的三重机制，实现了氧化效率的显著提升。

从环境友好性角度分析，木醋液作为生物质热解副产物，其碳足迹较传统化学试剂降低83%。改性过程中未引入有毒重金属或卤代有机物，生成的氧官能团（如羧基、羟基、醚键等）在酸性环境下具有良好稳定性。这种"废物-废物"循环利用模式，不仅解决了传统酸改性产生的废液处理难题，更通过木醋液中的有机酸与铁基的配位作用，形成了独特的活性位点网络结构。

机制研究揭示了该催化剂体系的多维度作用机制：铁基活性位点通过Fenton-like反应生成羟基自由基（·OH）；表面丰富的氧官能团（C=O含量提升至35.79%）与硫酸根自由基（SO4·?）形成协同催化效应；多孔结构为自由基扩散提供通道，同时增强催化剂载体的机械强度。通过淬灭实验证实，硫酸根自由基（SO4·?）是主要活性物种，占比超过75%，而木醋液中的有机酸通过质子化作用促进过硫酸钾的分解活化。

工程应用层面，研究团队重点考察了催化剂的环境适应性和循环稳定性。在pH=2-10范围内，V-Fe@N-BC的催化活性波动幅度小于15%，表明其具有宽泛的pH适用范围。循环测试显示，经50次PS活化后，BPA降解效率仍保持初始值的92%，铁基催化剂的负载稳定性通过XRD表征得到证实。这种稳定性源于木醋液改性产生的表面碳层包裹效应，以及氮掺杂形成的四配位铁氧基团结构。

经济性评估显示，该催化剂制备成本较传统方法降低40%，且原料来源（咖啡渣、木醋液）均为农业废弃物。在工业废水处理场景中，每吨催化剂可处理约300吨含BPA废水，运行成本仅为化学改性催化剂的1/3。这种经济性与环境性的双重优势，为推广至实际废水处理工程奠定了基础。

研究突破传统催化剂制备的线性思维，开创了"生物质协同改性"新范式。通过将农业废弃物转化路径（咖啡渣→生物炭）与工业副产物资源化（木醋液→改性剂）有机结合，构建了完整的循环经济链条。这种"从垃圾到催化剂"的技术路线，不仅解决了传统催化剂原料成本高、制备能耗大的痛点，更在环境治理与资源循环领域形成示范效应。

未来技术发展方向主要集中于三方面：一是建立不同生物质衍生催化剂的普适性改性规律，形成标准化制备流程；二是开发催化剂表面功能基团的可调控技术，以适应复杂污染物的协同降解需求；三是构建"催化剂-污染物"分子互作模型，为反应器设计与工艺优化提供理论支撑。研究团队已在陕西本地建立中试生产线，成功实现日处理量200吨工业废水的连续运行，验证了技术的工程可行性。

该成果已获得两项省部级科研基金支持（项目编号：25NJSYB00022；2021SF-431），相关技术标准正在申报制定中。从基础研究到产业应用的完整链条突破，标志着我国在环境友好型催化剂领域达到国际先进水平。研究团队后续将拓展至其他持久性污染物（如多环芳烃、药物残留）的降解研究，并探索催化剂在土壤修复、大气污染治理等领域的多元化应用。