天然辉铜矿热改性耦合芬顿-生物降解高效处理DMF废水：机制解析与经济性评估

　　针对工业废水中难降解有机溶剂N,N-二甲基甲酰胺(DMF)的处理难题，研究人员创新性地采用热改性天然辉铜矿(Cu2 S/CuO/Fe2 O3 )催化芬顿反应耦合生物降解技术。该体系在pH 3.0、10 mM H2 O2 条件下5分钟实现DMF完全降解，活性提升100倍，并通过S2? 促进Fe3+ /Fe2+ 与Cu2+ /Cu+ 循环加速ROS生成。耦合工艺减少75%氧化剂用量，为工业废水处理提供经济高效方案。

　　

随着纺织、农药和制药行业的快速发展，N,N-二甲基甲酰胺(DMF)作为重要有机溶剂在环境中持续累积。这种含羰基化合物不仅难以被微生物直接降解，其甲基基团还对微生物具有毒性，传统生物处理效率低下。虽然高级氧化工艺(AOPs)如芬顿反应能通过产生活性氧物种(ROS)快速降解污染物，但完全矿化需要消耗大量过氧化氢(H₂
O₂
)，成本高昂。如何开发兼具高效性与经济性的DMF处理技术，成为工业废水处理领域的重大挑战。

针对这一难题，中国研究人员创新性地将目光投向天然矿物辉铜矿。这种含铜硫化物具有优于黄铁矿的还原性和稳定性，但其在环境治理中的应用尚未充分开发。通过精确控制热改性温度，研究团队成功制备出含Cu₂
S、CuO和Fe₂
O₃
的高效催化剂，并首次提出芬顿-生物降解耦合工艺。相关成果发表在《Journal of Cleaner Production》，为工业废水处理提供了新思路。

关键技术方法包括：1) 在300-500°C范围热改性天然辉铜矿；2) 通过X射线衍射(XRD)和比表面积分析表征材料；3) 电子顺磁共振(EPR)检测ROS种类；4) 批次与中试实验验证耦合工艺效果；5) 毒性评估与生物降解性测试。

材料与辉铜矿改性
研究采用湖北黄石铜绿山古铜矿的天然辉铜矿，在350°C热处理后获得最佳催化剂。改性后材料孔径扩大，比表面积增加，Cu₂
S、CuO和Fe₂
O₃
的协同作用显著提升催化活性。

异相芬顿降解DMF
在10 mM H₂
O₂
、pH 3.0、催化剂2.0 g/L条件下，DMF(20 mg/L)在5分钟内完全降解，速率常数达1.468 min^-1
。S^2?
通过加速金属价态循环(Fe³⁺
/Fe²⁺
和Cu²⁺
/Cu⁺
)促进H₂
O₂
转化为ROS。淬灭实验证实•OH是主要活性物种，其贡献度排序为：•OH > O₂
^•?

¹
O₂
。

结论与意义
该研究实现了三大突破：1) 开发出活性提升100倍的热改性辉铜矿催化剂；2) 阐明S^2?
促进的金属价态循环机制；3) 首创芬顿-生物降解耦合工艺，减少75% H₂
O₂
用量。这不仅为DMF处理提供经济高效方案(处理成本降低3/4)，更开创了天然矿物在环境治理中的高值化利用途径。通过将难降解污染物转化为可生物降解中间体，该技术有望推广至其他难降解有机废水的处理，对实现工业废水处理的绿色转型具有重要意义。