含氟Fe-MCM-48的制备及其在饮用水处理中抑制臭氧氧化生成溴酸盐机制

来源：环境工程技术学报杂志2025年第2期北京时间：

作者：周毅, 黄武林, 谭冠新, 张晓霞, 陈敏, 林文轩, 林明富

摘要：饮用水厂的臭氧氧化过程中会产生溴酸盐（\mathrmBrO_3^- ）等毒性副产物，对人体健康造成较大威胁。非均相催化臭氧氧化技术可以抑制\mathrmBrO_3^- 的生成。Fe-MCM-48介孔分子筛具有独特的三维立方孔道结构，常作为催化剂用于催化臭氧氧化过程。但Fe-MCM-48存在表面酸性位点不足、传质效果差等缺点，这限制了其应用和推广。以FeF3为铁源和氟源，通过一步合成法制备了不同F-Fe-MCM-48并将其用于控制臭氧氧化过程\mathrmBrO_3^- 的产生；利用XRD、TEM和红外光谱等手段研究了F-Fe-MCM-48比表面积和酸性位点等理化性质，考察了F-Fe-MCM-48、溶液pH、叔丁醇（TBA）等因素对\mathrmBrO_3^- 产生情况的影响，同时结合电子顺磁共振等技术揭示催化剂作用机制。结果表明：1）F-Fe-MCM-48具有良好的三维立体介孔结构和较大的比表面积（1 487 m2/g）。在水热反应中，铁原子能够通过替代硅氧四面体中的硅原子，成功地进入分子筛的骨架结构；同时，氟原子也通过取代分子筛表面的Si—OH基团，形成了具疏水性的Si—F基团。2）在臭氧（O3）产量为100 mg/h，Br−投加量为1 000 μg/L条件下，反应60 min后，F-Fe-MCM-48/O3体系中\mathrmBrO_3^- 产生量为70.3 μg/L，抑制率达78.9%，抑制效果是Fe-MCM-48/O3的1.4倍。且在pH为5~9的范围内，F-Fe-MCM-48/O3均保持良好的\mathrmBrO_3^- 抑制效果。3）F-Fe-MCM-48具有丰富的Lewis酸位点，能有效吸附并分解O3，降低溶液中O3浓度，从而抑制了O3对Br−的直接氧化作用。反应过程中产生的\cdot \mathrmO_2^- 和H2O2等活性物种能还原\mathrmBrO_3^- 、\cdot \mathrmBr_2^- 和\cdot \mathrmBr_3^- 等中间产物，进一步抑制F-Fe-MCM-48/O3过程中\mathrmBrO_3^- 的产生。本研究可为臭氧氧化中\mathrmBrO_3^- 的控制提供理论依据。

关键词：F-Fe-MCM-48, 催化臭氧氧化, 溴酸5盐（${\mathrm{BrO}}_3^- $）, 羟基自由基, Lewis酸性位点, 机理