半胱氨酸強化針鐵礦類芬頓反應降解2, 4-二氯苯酚及影響因素

潘心宇 ，王婭茹，劉凱，李季*，方利平

1. 中國地質大學（武漢）材料與化學學院，湖北 武漢 430070；2. 廣東省生態環境技術研究所，廣東 廣州 510650

2, 4-二氯苯酚（2, 4-dichlorophenol，DCP）是一種重要的化工原料，被大量用于除草劑和防腐劑的生產中，在水中有高毒性、高化學需氧量等特性，進入生物體后會有致癌變、致畸、致突變等危害，在水中含量豐富，對生態環境和人類都具有巨大危害（Zada et al.，2018）。DCP被美國環保署列為優先污染物。此外，中國也將CP、DCP、TCP和PCP等氯酚類物質列進了地下水環境優先控制污染物（朱菲菲，2013）。

傳統的吸附和過濾難以降解這些污染物，只能做到氯酚類有機物在不同相態之間的轉移，而不是真正的降解，需要結合其他的處理方法使用（張景飛等，2003；Chen et al.，2004；Zhang et al.，2004）。高級氧化工藝在降解有機污染物上有潛在的作用，能將 DCP氧化為無毒或者低毒的物質，因此受到廣泛的關注。芬頓和類芬頓反應都是高級氧化的一種（Tao et al.，2007），因其高效、低毒易于控制而被廣泛關注。但是，芬頓反應體系也有其缺點，適用pH范圍窄，過氧化氫消耗量高，體系Fe(Ⅲ)的積累等限制了芬頓反應體系的應用（Chen et al.，2011；Kremer，2003；Li et al.，2016）。在芬頓反應體系中，Fe(Ⅱ)存在的情況下，可以催化過氧化氫分解產生羥基自由基(·OH)氧化大多數有機污染物。但是在過程中由于三價鐵的還原速率低于二價鐵氧化速率，會導致體系Fe(Ⅱ)的消耗，Fe(Ⅲ)的積累（Hou et al.，2017），最終導致芬頓反應變慢。鐵是地殼中含量最豐富的過渡金屬元素（Huang et al.，2018），植物和微生物所需的必需微量元素，Fe(Ⅲ)的還原和有機質的氧化是水生沉積物、土壤、地下水的重要生物地球化學反應之一（李芳柏等，2019）。針鐵礦是一種典型的Fe(Ⅲ)的氫氧化物，廣泛存在于地殼中且熱力學穩定（Aeppli et al.，2019），通常情況下，針鐵礦無法直接參與芬頓反應來氧化有機物，Hou et al.（2017）發現可以通過羥胺、針鐵礦來增強芬頓反應針鐵礦的Fe(Ⅲ)/Fe(Ⅱ)循環，從而增強了體系對甲草胺的降解。半胱氨酸（Cysteine，Cys）作為一種必需α-氨基酸，廣泛存在于動植物或細胞中。研究表明，半胱氨酸能將溶解的Fe(Ⅲ)還原為 Fe(Ⅱ)（Luo et al.，2016），促進芬頓反應Fe(Ⅲ)/Fe(Ⅱ)循環（Yang et al.，2018），從而產生更多的·OH。

針對以上存在的科學問題，本文制備出納米針鐵礦顆粒，以DCP為目標污染物，研究了半胱氨酸加入對針鐵礦類芬頓反應降解 DCP的促進作用，探究出類芬頓反應降解 DCP的關鍵活性物種，同時考察了不同環境因子對類芬頓反應降解 DCP的影響，旨在揭示出半胱氨酸強化針鐵礦類芬頓反應降解 DCP的反應機制及主要影響因素，為實現水體高效降解DCP污染提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

九水硝酸鐵（Fe(NO3)3·9H2O）、氫氧化鉀（KOH）、過氧化氫（H2O2）、DCP、氫氧化鈉（NaOH）、鹽酸（HCl）、十二水磷酸氫二鈉（Na2HPO4·12H2O）、1, 10-鄰菲啰啉（C12H8N2·H2O）、甘氨酸（C2H5NO2）、氨三乙酸（N(CH2COOH)3）、二水合草酸（C2H2O4·2H2O）、一水檸檬酸（C6H8O7·H2O）均購于國藥集團化學試劑有限公司；5, 5′-二硫代雙（2-硝基苯甲酸）（C14H8N2O8S2，DTNB）、半胱氨酸（C3H7NO2S）、三羥甲基氨基甲烷（C4H11NO3，Tris）、叔丁醇（C4H10O）、乙腈（C2H3N）購于阿拉丁生化科技股份有限公司。以上試劑除乙腈為色譜純試劑，其余均為分析純試劑，實驗用水均為新制的超純水。

1.2 針鐵礦的合成

針鐵礦（α-FeOOH）的合成參考Cornell et al.，（1997）的方法，主要過程為：在攪拌下向30 mL 1 mol·L-1Fe(NO3)3·9H2O 中加入 54 mL 5 mol·L-1KOH，用水稀釋至600 mL，懸浮液在烘箱于70 ℃老化60 h，沉淀由紅棕色變為土黃色，即沉淀轉化為針鐵礦。合成好的樣品先用超純水離心洗樣兩次，再用透析袋透析至透析液pH為中性，處理好的針鐵礦以懸濁液的方式保存。針鐵礦懸浮液使用差量法在冷凍干燥機中對其進行濃度測定。合成的樣品經過離心棄去上清液，冷凍干燥24 h后，研磨過200目篩。

1.3 表征方法

通過德國 Bruker AXSD8-Focus X射線粉晶衍射儀（XRD）對合成針鐵礦的物相構成進行分析；使用日立SU8010掃描電子顯微鏡（SEM）對合成針鐵礦的表面形貌進行分析。

1.4 DCP的降解實驗

1.4.1 半胱氨酸強化針鐵礦類芬頓反應降解 DCP實驗

為研究半胱氨酸強化針鐵礦類芬頓反應降解DCP，向 50 mL玻璃樣品瓶中依次加入針鐵礦懸浮液、超純水、過氧化氫、半胱氨酸母液、DCP母液，使溶液中的針鐵礦、半胱氨酸、過氧化氫濃度分別為 0.5 g·L-1、1 mmol·L-1、10 mmol·L-1，DCP初始濃度C0=10 mg·L-1，反應液總體積為20 mL，使用 1 mol·L-1HCl和 1 mol·L-1NaOH 調節 pH 值為3.0±0.1之后，于振蕩器上以200 r·min-1的轉速反應。反應過程中樣品瓶均采用錫箔紙包裹使反應在有氧避光條件下進行。同時考察加入不同濃度（0.1—5 mmol·L-1）半胱氨酸對強化針鐵礦類芬頓反應降解DCP的影響，其中半胱氨酸濃度范圍設定基于之前半胱氨酸強化類芬頓反應研究（Li et al.，2016），結合本實驗體系的預實驗確定。反應過程中分別于5、10、15、30、45、60 min取樣，樣品懸濁液經 0.22 μm 混纖濾膜過濾即可使用HPLC上機測試，以 C/C0表示測得的樣品濃度與初始濃度的比值。

1.4.2 淬滅實驗

為考察本實驗體系中的活性氧物種，在體系中添加 0.1 mol·L-1叔丁醇（Tert-butanol，TBA）作為自由基淬滅劑來消耗體系中的·OH（Acero et al.，2000），探究活性氧物種對DCP降解的影響。反應體系中針鐵礦、半胱氨酸、過氧化氫濃度分別為0.5 g·L-1、1 mmol·L-1、10 mmol·L-1，DCP 初始濃度 C0=10 mg·L-1，初始 pH 調至 3.0±0.1。反應均在有氧避光條件下進行，DCP降解動力學取樣時間間隔同上。

1.4.3 不同環境因子對DCP降解影響實驗

研究不同環境因子對半胱氨酸強化針鐵礦類芬頓反應降解 DCP的影響。反應均在有氧避光條件下進行，DCP初始濃度均為C0=10 mg·L-1。過氧化氫濃度變化直接影響芬頓反應速率，因此考察了不同過氧化氫濃度（1—20 mmol·L-1）對DCP降解的影響，其中過氧化氫濃度范圍設定依據針鐵礦投加量（0.5 g·L-1；5.6 mmol·L-1），結合芬頓反應 Fe/過氧化氫物質的量之比（1∶1）(Xu et al.，2019）和預實驗確定，反應體系中半胱氨酸濃度為 1 mmol·L-1，針鐵礦濃度為 0.5 g·L-1，初始 pH 調為3。同時考察了不同pH條件對DCP降解的影響，使用 1 mol·L-1HCl和 1 mol·L-1NaOH 將反應體系初始pH值分別調為3、4、5、7，反應體系中半胱氨酸濃度為 1 mmol·L-1，針鐵礦濃度為 0.5 g·L-1，過氧化氫濃度為5 mmol·L-1。為探討環境中的有機配體對半胱氨酸強化針鐵礦類芬頓反應降解 DCP的影響，選取草酸（Oxalate）、檸檬酸（Citrate）、腐殖酸（Humic Acid）這 3種有機配體進行研究（Manenti et al.，2015；Lai et al.，2002），保持配體碳含量一致的條件下，檸檬酸、草酸、腐殖酸和針鐵礦的初始濃度分別為 0.5 mmol·L-1、0.5 mmol·L-1、12 mg·L-1和 0.5 g·L-1，反應體系中針鐵礦、半胱氨酸、過氧化氫濃度分別為 0.5 g·L-1、1 mmol·L-1、10 mmol·L-1，初始 pH值調至 3。DCP降解動力學取樣時間間隔同上。

1.5 分析方法

1.5.1 半胱氨酸的測定

配制 pH=8.3 的 0.25 mol·L-1的 Tris-HCl緩沖液，50 mmol·L-1的 Na2HPO4溶液，用配好的Na2HPO4溶液溶解DTNB，配成濃度為 10 mmol·L-1的DTNB母液。移取1 mL的Tris-HCl緩沖液、0.1 mL的DTNB、適量的樣品溶液，定容至5 mL，顯色反應10 min，于紫外分光光度計（北京普析儀器有限責任公司，TU-1901）412 nm處上機測試，取樣點所取樣品液均稀釋至標準曲線范圍內進行測定。標準曲線的范圍為 0—50 μmol·L-1。

1.5.2 Fe(Ⅱ)的測定

將 0.025 mol·L-1的 1, 10-鄰菲啰啉與 0.5 mol·L-1的甘氨酸、0.1 mol·L-1的氨三乙酸按體積比為 5∶5∶1的比例混合配成Fe(Ⅱ)顯色劑，準確移取1 mL樣品濾出液，加入0.5 mL配好的Fe(Ⅱ)顯色劑，定容至5 mL，待顯色反應10 min，于紫外分光光度計510 nm處上機測試，取樣點所取樣品液均稀釋至標準曲線范圍內進行測定。

1.5.3 DCP的測定

DCP濃度采用高效液相色譜法（簡稱 HPLC，Agilent 1260）（C18色譜柱，150 mm×4.6 mm，5 μm particles，Agilent，USA）測定，流動相采用體積比為70∶30 的乙腈和磷酸（pH 3）溶液，流速為 1 mL·min-1，進樣量為20 μL，UV-vis檢測器波長為230 nm，柱溫為30 ℃。

2 結果與討論

2.1 針鐵礦的表征

圖1a所示為合成的針鐵礦的XRD譜圖，經過與針鐵礦標準PDF卡片29-0713對比，合成針鐵礦的 X 射線衍射光譜顯示在 21.4°、36.7°、41.3°、47.5°、53.3°的峰，與標準針鐵礦卡片非常吻合，表明所合成的物質為純針鐵礦，且結晶性良好。針鐵礦SEM表征如圖 1b所示，合成的針鐵礦為形貌良好的棒狀，直徑10 nm左右，長度在0.8—1.6 μm之間，晶型生長良好，大小基本一致，和Hou et al.（2017）合成的針鐵礦形貌相一致。

2.2 半胱氨酸強化針鐵礦類芬頓反應降解DCP

首先研究了半胱氨酸加入前后針鐵礦和過氧化氫體系對DCP降解動力學變化。如圖2所示，在未加入半胱氨酸條件下，經過60 min反應，針鐵礦和雙氧水體系在有氧條件下對 DCP降解率為22.8%。Lu（2000）研究表明針鐵礦和雙氧水在酸性條件下能發生類芬頓反應，但是由于Fe(Ⅲ)的還原反應速率（式1）比Fe(Ⅱ)的氧化速率低（式2），因此針鐵礦和雙氧水對 DCP的降解率較低（Pignatello et al.，2006）。當加入半胱氨酸后，反應體系中 DCP濃度迅速下降，之后逐漸趨于平緩，DCP降解率在60 min達到65.8%，相對未加入半胱氨酸體系提高了1.9倍。結果表明半胱氨酸的加入明顯促進了針鐵礦和雙氧水對 DCP的降解。主要是因為半胱氨酸能夠提高針鐵礦表面Fe(Ⅲ)還原為Fe(Ⅱ)，進而促進類芬頓反應產生活性氧對DCP的降解（Luo et al.，2016），如式（3）所示。

圖1 合成針鐵礦的材料表征Fig. 1 Material characterization of goethite

圖2 半胱氨酸、針鐵礦、過氧化氫加入后DCP降解動力學變化Fig. 2 Kinetics changes of DCP degradation after the addition of cysteine,goethite and hydrogen peroxide

同時實驗還設置了針鐵礦和過氧化氫分別加入半胱氨酸的反應體系，反應60 min后對DCP降解率分別為10.5%和14%，低于針鐵礦和雙氧水的類芬頓體系對 DCP的降解，進一步表明半胱氨酸的加入是促進了針鐵礦和雙氧水的類芬頓反應。

進一步研究了不同濃度半胱氨酸加入時，針鐵礦和過氧化氫體系對DCP降解動力學變化。從圖3可知，60 min反應后，隨著的加入半胱氨酸濃度的增加，DCP降解率并沒有隨之增加，而整體呈現出先升高后降低。半胱氨酸濃度為 0.5—2 mmol·L-1時，DCP降解率差異不明顯，為65.8%—72.7%，其次是半胱氨酸濃度為5 mmol·L-1時，DCP降解率為51.4%，當半胱氨酸濃度為0.1 mmol·L-1時，DCP降解率最低為38.2%。這主要是由于一方面過量的半胱氨酸能與過氧化氫反應，削弱類芬頓反應，進而降低DCP的降解率（Lu，2000；Luo et al.，2005）；另一方面過量的半胱氨酸還會消耗類芬頓反應產生的活性氧，從而減少了活性氧物種對 DCP的降解（Alcock et al.，2018）。在反應60 min之后測定溶液中半胱氨酸的濃度，結果顯示溶液中剩余的半胱氨酸濃度隨著初始加入量升高有略微升高，但遠遠小于初始半胱氨酸加入濃度（圖4），該結果證實了半胱氨酸參與針鐵礦和雙氧水的類芬頓反應（Luo et al.，2016）。

圖3 不同濃度半胱氨酸加入后DCP降解動力學變化Fig. 3 Kinetics changes of DCP degradation after the addition of cysteine at different concentrations

圖4 反應60 min后溶液中的半胱氨酸濃度隨初始加入量的變化Fig. 4 Variation of cysteine concentration in solution with initial addition after 60 min reaction

綜上，半胱氨酸的加入明顯強化了針鐵礦和過氧化氫體系對DCP降解；隨著半胱氨酸濃度增加，DCP降解率呈現出先升高后降低的變化趨勢。

2.3 活性氧對DCP降解的影響

圖5 自由基淬滅后DCP降解動力學變化Fig. 5 Kinetics changes of DCP degradation after quenching radical

·OH是芬頓反應產生的主要活性氧物種，能氧化降解多種有機污染物（Rezgui et al.，2017；Wang et al.，2018）。為了證實氧化DCP活性物種是否是·OH，本實驗選取叔丁醇作為自由基淬滅劑原因是叔丁醇與·OH 反應速率常數可達 5×108mol-1·s-1（Acero et al.，2000），能夠快速消耗體系中的·OH。如圖5所示，加入淬滅劑后，隨著反應的進行反應體系中DCP濃度緩慢降低，逐漸趨于平緩，反應60 min后DCP的降解率僅為8%。而未加入叔丁醇反應體系中隨著反應的進行，DCP濃度迅速下降，隨后趨于平緩，反應60 min后對DCP降解率為65.8%。由此可見，叔丁醇的加入對 DCP的降解起到了明顯的抑制作用，同時也證實了體系中氧化 DCP的反應活性物種為·OH。這與之前的研究結果相近（Jiang et al.，2010；Lee et al.，2009）。

2.4 不同濃度過氧化氫對DCP降解的影響

圖6 加入不同濃度過氧化氫后DCP降解動力學變化Fig. 6 Kinetics changes of DCP degradation after the addition of hydrogen peroxide at different concentrations

過氧化氫濃度是影響芬頓反應速率的重要因素。為了探究半胱氨酸/針鐵礦體系對過氧化氫的敏感程度，研究了不同過氧化氫濃度條件下對DCP降解。由圖6可知，在過氧化氫濃度為1—10 mmol·L-1范圍內，隨著濃度的升高，DCP的降解率逐漸升高，當過氧化氫濃度為10 mmol·L-1時，DCP的降解率達到了80.3%。表明隨著反應體系中過氧化氫濃度的增加，DCP的降解率也隨之上升。原因是體系中過氧化氫濃度的升高促進了類芬頓反應的發生（式2），體系中產生更多的活性氧，有利于DCP的降解（Fischbacher et al.，2017）。但是當過氧化氫濃度提高到20 mmol·L-1時，DCP的降解率下降至73.7%。主要是由于過量的過氧化氫會與半胱氨酸反應，減少了有效作用于Fe(Ⅲ)的半胱氨酸的量（Lu，2000；Luo et al.，2005），使芬頓反應速率下降，從而降低了DCP降解率。

2.5 不同pH對DCP降解的影響

pH為芬頓反應的限制條件之一，過高或過低pH都會限制其反應速率。本實驗選取pH 3—7研究半胱氨酸強化針鐵礦和過氧化氫對DCP降解的影響。如圖7所示，在pH=3時，半胱氨酸強化針鐵礦和過氧化氫對DCP降解率最高為65.8%，有研究表明芬頓反應的最適 pH 范圍為 2.8—3.2（Neyens et al.，2003），這與本文結果一致。在pH 3—5范圍內，隨著pH升高，DCP的降解效率逐漸降低。在pH 5—7范圍內時，DCP的降解率（20%—21%）不再隨著pH升高而發生明顯變化。同時測定了不同pH體系中反應60 min后溶液中Fe(Ⅱ)和Fe(Ⅲ)濃度，由圖8可見，pH 3體系中Fe(Ⅱ)、Fe(Ⅲ)濃度最高，并且在pH 3條件下溶液中Fe(Ⅱ)、Fe(Ⅲ)都以離子形態存在，有利于芬頓反應發生（Fischbacher et al.，2017）。隨著pH升高，體系中Fe(Ⅱ)、Fe(Ⅲ)濃度均相應減少，是由于pH升高，體系中的Fe(Ⅱ)、Fe(Ⅲ)發生絮凝（Gallard et al.，1999；Jeon et al.，2003），從而使芬頓反應速率變慢，活性氧的產生也相應減少（Fischbacher et al.，2017），與隨著pH升高DCP降解率降低的結果一致。當pH升至5和7時，DCP的降解率與針鐵礦和過氧化氫體系的降解率接近，此時 DCP濃度的降低是由于半胱氨酸或針鐵礦對其的微弱吸附作用和過氧化氫的氧化作用（Lu，2000；Kong et al.，2017）。

圖7 不同pH條件下DCP降解動力學變化Fig. 7 Kinetics changes of DCP degradation under different pH conditions

圖8 反應60 min后溶液中Fe(Ⅱ)和Fe(Ⅲ)的濃度Fig. 8 Fe (Ⅱ) and Fe (Ⅲ) concentrations in solution after 60 min reaction

2.6 不同有機配體對DCP氧化的影響

有研究表明，當存在草酸、檸檬酸等配體時，能顯著增強 Fe(Ⅲ)的光芬頓反應（Manenti et al.，2015）。為了探究自然界中不同配體對半胱氨酸還原針鐵礦的影響，選取了草酸、檸檬酸和腐殖酸進行研究。由圖9可知，草酸和腐殖酸的加入均對DCP的降解起到了促進作用，其中草酸的促進強度較大，主要是因為草酸的加入促進了針鐵礦的溶解（Eick et al.，1999；Geelhoed et al.，1998；Huston et al.，1996；Cervini-Silva et al.，2002），增加了針鐵礦向溶液中釋放鐵的速度，少量腐殖酸的存在會引發羥基自由基的生成（Ma et al.，1999）。檸檬酸則抑制了DCP的降解，并且使得DCP的降解變成一個勻速降解的過程，DCP降解率下降的原因是檸檬酸會絡合體系中的Fe(Ⅲ)與Fe(Ⅱ)，從而減慢Fe(Ⅲ)還原以及 Fe(Ⅱ)與過氧化氫的反應（Abida et al.，2016；Goldberg et al.，1993；Pham et al.，2008）。

圖9 加入不同有機配體（草酸、檸檬酸、腐殖酸）后DCP降解動力學變化Fig. 9 Kinetics changes of DCP degradation after addition of different organic ligands (oxalic acid, citric acid, humic acid)

3 結論

（1）結果表明，半胱氨酸的加入通過促進針鐵礦表面Fe(Ⅲ)還原為Fe(Ⅱ)，強化了針鐵礦類芬頓反應降解DCP，但當加入的半胱氨酸過量時會消耗體系中過氧化氫，使得DCP降解率下降，其中羥基自由基是針鐵礦類芬頓反應中氧化降解 DCP的主要活性物種。

（2）影響因素實驗表明，過氧化氫濃度的增加能夠促進類芬頓反應，提高DCP降解率，但是過量的過氧化氫會消耗體系中的半胱氨酸，使 DCP降解率下降。在不同pH（3、4、5和7）條件下，DCP降解率隨著pH值升高而下降，在pH 3時DCP降解率最大。

（3）不同有機配體加入實驗結果表明，草酸和腐殖酸均能促進 DCP的降解，而檸檬酸則表現出對DCP降解的抑制作用。