半胱氨酸强化针铁矿类芬顿反应降解2, 4-二氯苯酚及影响因素

潘心宇 ，王娅茹，刘凯，李季*，方利平

1. 中国地质大学（武汉）材料与化学学院，湖北 武汉 430070；2. 广东省生态环境技术研究所，广东 广州 510650

2, 4-二氯苯酚（2, 4-dichlorophenol，DCP）是一种重要的化工原料，被大量用于除草剂和防腐剂的生产中，在水中有高毒性、高化学需氧量等特性，进入生物体后会有致癌变、致畸、致突变等危害，在水中含量丰富，对生态环境和人类都具有巨大危害（Zada et al.，2018）。DCP被美国环保署列为优先污染物。此外，中国也将CP、DCP、TCP和PCP等氯酚类物质列进了地下水环境优先控制污染物（朱菲菲，2013）。

传统的吸附和过滤难以降解这些污染物，只能做到氯酚类有机物在不同相态之间的转移，而不是真正的降解，需要结合其他的处理方法使用（张景飞等，2003；Chen et al.，2004；Zhang et al.，2004）。高级氧化工艺在降解有机污染物上有潜在的作用，能将 DCP氧化为无毒或者低毒的物质，因此受到广泛的关注。芬顿和类芬顿反应都是高级氧化的一种（Tao et al.，2007），因其高效、低毒易于控制而被广泛关注。但是，芬顿反应体系也有其缺点，适用pH范围窄，过氧化氢消耗量高，体系Fe(Ⅲ)的积累等限制了芬顿反应体系的应用（Chen et al.，2011；Kremer，2003；Li et al.，2016）。在芬顿反应体系中，Fe(Ⅱ)存在的情况下，可以催化过氧化氢分解产生羟基自由基(·OH)氧化大多数有机污染物。但是在过程中由于三价铁的还原速率低于二价铁氧化速率，会导致体系Fe(Ⅱ)的消耗，Fe(Ⅲ)的积累（Hou et al.，2017），最终导致芬顿反应变慢。铁是地壳中含量最丰富的过渡金属元素（Huang et al.，2018），植物和微生物所需的必需微量元素，Fe(Ⅲ)的还原和有机质的氧化是水生沉积物、土壤、地下水的重要生物地球化学反应之一（李芳柏等，2019）。针铁矿是一种典型的Fe(Ⅲ)的氢氧化物，广泛存在于地壳中且热力学稳定（Aeppli et al.，2019），通常情况下，针铁矿无法直接参与芬顿反应来氧化有机物，Hou et al.（2017）发现可以通过羟胺、针铁矿来增强芬顿反应针铁矿的Fe(Ⅲ)/Fe(Ⅱ)循环，从而增强了体系对甲草胺的降解。半胱氨酸（Cysteine，Cys）作为一种必需α-氨基酸，广泛存在于动植物或细胞中。研究表明，半胱氨酸能将溶解的Fe(Ⅲ)还原为 Fe(Ⅱ)（Luo et al.，2016），促进芬顿反应Fe(Ⅲ)/Fe(Ⅱ)循环（Yang et al.，2018），从而产生更多的·OH。

针对以上存在的科学问题，本文制备出纳米针铁矿颗粒，以DCP为目标污染物，研究了半胱氨酸加入对针铁矿类芬顿反应降解 DCP的促进作用，探究出类芬顿反应降解 DCP的关键活性物种，同时考察了不同环境因子对类芬顿反应降解 DCP的影响，旨在揭示出半胱氨酸强化针铁矿类芬顿反应降解 DCP的反应机制及主要影响因素，为实现水体高效降解DCP污染提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料

九水硝酸铁（Fe(NO3)3·9H2O）、氢氧化钾（KOH）、过氧化氢（H2O2）、DCP、氢氧化钠（NaOH）、盐酸（HCl）、十二水磷酸氢二钠（Na2HPO4·12H2O）、1, 10-邻菲啰啉（C12H8N2·H2O）、甘氨酸（C2H5NO2）、氨三乙酸（N(CH2COOH)3）、二水合草酸（C2H2O4·2H2O）、一水柠檬酸（C6H8O7·H2O）均购于国药集团化学试剂有限公司；5, 5′-二硫代双（2-硝基苯甲酸）（C14H8N2O8S2，DTNB）、半胱氨酸（C3H7NO2S）、三羟甲基氨基甲烷（C4H11NO3，Tris）、叔丁醇（C4H10O）、乙腈（C2H3N）购于阿拉丁生化科技股份有限公司。以上试剂除乙腈为色谱纯试剂，其余均为分析纯试剂，实验用水均为新制的超纯水。

1.2 针铁矿的合成

针铁矿（α-FeOOH）的合成参考Cornell et al.，（1997）的方法，主要过程为：在搅拌下向30 mL 1 mol·L-1Fe(NO3)3·9H2O 中加入 54 mL 5 mol·L-1KOH，用水稀释至600 mL，悬浮液在烘箱于70 ℃老化60 h，沉淀由红棕色变为土黄色，即沉淀转化为针铁矿。合成好的样品先用超纯水离心洗样两次，再用透析袋透析至透析液pH为中性，处理好的针铁矿以悬浊液的方式保存。针铁矿悬浮液使用差量法在冷冻干燥机中对其进行浓度测定。合成的样品经过离心弃去上清液，冷冻干燥24 h后，研磨过200目筛。

1.3 表征方法

通过德国 Bruker AXSD8-Focus X射线粉晶衍射仪（XRD）对合成针铁矿的物相构成进行分析；使用日立SU8010扫描电子显微镜（SEM）对合成针铁矿的表面形貌进行分析。

1.4 DCP的降解实验

1.4.1 半胱氨酸强化针铁矿类芬顿反应降解 DCP实验

为研究半胱氨酸强化针铁矿类芬顿反应降解DCP，向 50 mL玻璃样品瓶中依次加入针铁矿悬浮液、超纯水、过氧化氢、半胱氨酸母液、DCP母液，使溶液中的针铁矿、半胱氨酸、过氧化氢浓度分别为 0.5 g·L-1、1 mmol·L-1、10 mmol·L-1，DCP初始浓度C0=10 mg·L-1，反应液总体积为20 mL，使用 1 mol·L-1HCl和 1 mol·L-1NaOH 调节 pH 值为3.0±0.1之后，于振荡器上以200 r·min-1的转速反应。反应过程中样品瓶均采用锡箔纸包裹使反应在有氧避光条件下进行。同时考察加入不同浓度（0.1—5 mmol·L-1）半胱氨酸对强化针铁矿类芬顿反应降解DCP的影响，其中半胱氨酸浓度范围设定基于之前半胱氨酸强化类芬顿反应研究（Li et al.，2016），结合本实验体系的预实验确定。反应过程中分别于5、10、15、30、45、60 min取样，样品悬浊液经 0.22 μm 混纤滤膜过滤即可使用HPLC上机测试，以 C/C0表示测得的样品浓度与初始浓度的比值。

1.4.2 淬灭实验

为考察本实验体系中的活性氧物种，在体系中添加 0.1 mol·L-1叔丁醇（Tert-butanol，TBA）作为自由基淬灭剂来消耗体系中的·OH（Acero et al.，2000），探究活性氧物种对DCP降解的影响。反应体系中针铁矿、半胱氨酸、过氧化氢浓度分别为0.5 g·L-1、1 mmol·L-1、10 mmol·L-1，DCP 初始浓度 C0=10 mg·L-1，初始 pH 调至 3.0±0.1。反应均在有氧避光条件下进行，DCP降解动力学取样时间间隔同上。

1.4.3 不同环境因子对DCP降解影响实验

研究不同环境因子对半胱氨酸强化针铁矿类芬顿反应降解 DCP的影响。反应均在有氧避光条件下进行，DCP初始浓度均为C0=10 mg·L-1。过氧化氢浓度变化直接影响芬顿反应速率，因此考察了不同过氧化氢浓度（1—20 mmol·L-1）对DCP降解的影响，其中过氧化氢浓度范围设定依据针铁矿投加量（0.5 g·L-1；5.6 mmol·L-1），结合芬顿反应 Fe/过氧化氢物质的量之比（1∶1）(Xu et al.，2019）和预实验确定，反应体系中半胱氨酸浓度为 1 mmol·L-1，针铁矿浓度为 0.5 g·L-1，初始 pH 调为3。同时考察了不同pH条件对DCP降解的影响，使用 1 mol·L-1HCl和 1 mol·L-1NaOH 将反应体系初始pH值分别调为3、4、5、7，反应体系中半胱氨酸浓度为 1 mmol·L-1，针铁矿浓度为 0.5 g·L-1，过氧化氢浓度为5 mmol·L-1。为探讨环境中的有机配体对半胱氨酸强化针铁矿类芬顿反应降解 DCP的影响，选取草酸（Oxalate）、柠檬酸（Citrate）、腐殖酸（Humic Acid）这 3种有机配体进行研究（Manenti et al.，2015；Lai et al.，2002），保持配体碳含量一致的条件下，柠檬酸、草酸、腐殖酸和针铁矿的初始浓度分别为 0.5 mmol·L-1、0.5 mmol·L-1、12 mg·L-1和 0.5 g·L-1，反应体系中针铁矿、半胱氨酸、过氧化氢浓度分别为 0.5 g·L-1、1 mmol·L-1、10 mmol·L-1，初始 pH值调至 3。DCP降解动力学取样时间间隔同上。

1.5 分析方法

1.5.1 半胱氨酸的测定

配制 pH=8.3 的 0.25 mol·L-1的 Tris-HCl缓冲液，50 mmol·L-1的 Na2HPO4溶液，用配好的Na2HPO4溶液溶解DTNB，配成浓度为 10 mmol·L-1的DTNB母液。移取1 mL的Tris-HCl缓冲液、0.1 mL的DTNB、适量的样品溶液，定容至5 mL，显色反应10 min，于紫外分光光度计（北京普析仪器有限责任公司，TU-1901）412 nm处上机测试，取样点所取样品液均稀释至标准曲线范围内进行测定。标准曲线的范围为 0—50 μmol·L-1。

1.5.2 Fe(Ⅱ)的测定

将 0.025 mol·L-1的 1, 10-邻菲啰啉与 0.5 mol·L-1的甘氨酸、0.1 mol·L-1的氨三乙酸按体积比为 5∶5∶1的比例混合配成Fe(Ⅱ)显色剂，准确移取1 mL样品滤出液，加入0.5 mL配好的Fe(Ⅱ)显色剂，定容至5 mL，待显色反应10 min，于紫外分光光度计510 nm处上机测试，取样点所取样品液均稀释至标准曲线范围内进行测定。

1.5.3 DCP的测定

DCP浓度采用高效液相色谱法（简称 HPLC，Agilent 1260）（C18色谱柱，150 mm×4.6 mm，5 µm particles，Agilent，USA）测定，流动相采用体积比为70∶30 的乙腈和磷酸（pH 3）溶液，流速为 1 mL·min-1，进样量为20 µL，UV-vis检测器波长为230 nm，柱温为30 ℃。

2 结果与讨论

2.1 针铁矿的表征

图1a所示为合成的针铁矿的XRD谱图，经过与针铁矿标准PDF卡片29-0713对比，合成针铁矿的 X 射线衍射光谱显示在 21.4°、36.7°、41.3°、47.5°、53.3°的峰，与标准针铁矿卡片非常吻合，表明所合成的物质为纯针铁矿，且结晶性良好。针铁矿SEM表征如图 1b所示，合成的针铁矿为形貌良好的棒状，直径10 nm左右，长度在0.8—1.6 μm之间，晶型生长良好，大小基本一致，和Hou et al.（2017）合成的针铁矿形貌相一致。

2.2 半胱氨酸强化针铁矿类芬顿反应降解DCP

首先研究了半胱氨酸加入前后针铁矿和过氧化氢体系对DCP降解动力学变化。如图2所示，在未加入半胱氨酸条件下，经过60 min反应，针铁矿和双氧水体系在有氧条件下对 DCP降解率为22.8%。Lu（2000）研究表明针铁矿和双氧水在酸性条件下能发生类芬顿反应，但是由于Fe(Ⅲ)的还原反应速率（式1）比Fe(Ⅱ)的氧化速率低（式2），因此针铁矿和双氧水对 DCP的降解率较低（Pignatello et al.，2006）。当加入半胱氨酸后，反应体系中 DCP浓度迅速下降，之后逐渐趋于平缓，DCP降解率在60 min达到65.8%，相对未加入半胱氨酸体系提高了1.9倍。结果表明半胱氨酸的加入明显促进了针铁矿和双氧水对 DCP的降解。主要是因为半胱氨酸能够提高针铁矿表面Fe(Ⅲ)还原为Fe(Ⅱ)，进而促进类芬顿反应产生活性氧对DCP的降解（Luo et al.，2016），如式（3）所示。

图1 合成针铁矿的材料表征Fig. 1 Material characterization of goethite

图2 半胱氨酸、针铁矿、过氧化氢加入后DCP降解动力学变化Fig. 2 Kinetics changes of DCP degradation after the addition of cysteine,goethite and hydrogen peroxide

同时实验还设置了针铁矿和过氧化氢分别加入半胱氨酸的反应体系，反应60 min后对DCP降解率分别为10.5%和14%，低于针铁矿和双氧水的类芬顿体系对 DCP的降解，进一步表明半胱氨酸的加入是促进了针铁矿和双氧水的类芬顿反应。

进一步研究了不同浓度半胱氨酸加入时，针铁矿和过氧化氢体系对DCP降解动力学变化。从图3可知，60 min反应后，随着的加入半胱氨酸浓度的增加，DCP降解率并没有随之增加，而整体呈现出先升高后降低。半胱氨酸浓度为 0.5—2 mmol·L-1时，DCP降解率差异不明显，为65.8%—72.7%，其次是半胱氨酸浓度为5 mmol·L-1时，DCP降解率为51.4%，当半胱氨酸浓度为0.1 mmol·L-1时，DCP降解率最低为38.2%。这主要是由于一方面过量的半胱氨酸能与过氧化氢反应，削弱类芬顿反应，进而降低DCP的降解率（Lu，2000；Luo et al.，2005）；另一方面过量的半胱氨酸还会消耗类芬顿反应产生的活性氧，从而减少了活性氧物种对 DCP的降解（Alcock et al.，2018）。在反应60 min之后测定溶液中半胱氨酸的浓度，结果显示溶液中剩余的半胱氨酸浓度随着初始加入量升高有略微升高，但远远小于初始半胱氨酸加入浓度（图4），该结果证实了半胱氨酸参与针铁矿和双氧水的类芬顿反应（Luo et al.，2016）。

图3 不同浓度半胱氨酸加入后DCP降解动力学变化Fig. 3 Kinetics changes of DCP degradation after the addition of cysteine at different concentrations

图4 反应60 min后溶液中的半胱氨酸浓度随初始加入量的变化Fig. 4 Variation of cysteine concentration in solution with initial addition after 60 min reaction

综上，半胱氨酸的加入明显强化了针铁矿和过氧化氢体系对DCP降解；随着半胱氨酸浓度增加，DCP降解率呈现出先升高后降低的变化趋势。

2.3 活性氧对DCP降解的影响

图5 自由基淬灭后DCP降解动力学变化Fig. 5 Kinetics changes of DCP degradation after quenching radical

·OH是芬顿反应产生的主要活性氧物种，能氧化降解多种有机污染物（Rezgui et al.，2017；Wang et al.，2018）。为了证实氧化DCP活性物种是否是·OH，本实验选取叔丁醇作为自由基淬灭剂原因是叔丁醇与·OH 反应速率常数可达 5×108mol-1·s-1（Acero et al.，2000），能够快速消耗体系中的·OH。如图5所示，加入淬灭剂后，随着反应的进行反应体系中DCP浓度缓慢降低，逐渐趋于平缓，反应60 min后DCP的降解率仅为8%。而未加入叔丁醇反应体系中随着反应的进行，DCP浓度迅速下降，随后趋于平缓，反应60 min后对DCP降解率为65.8%。由此可见，叔丁醇的加入对 DCP的降解起到了明显的抑制作用，同时也证实了体系中氧化 DCP的反应活性物种为·OH。这与之前的研究结果相近（Jiang et al.，2010；Lee et al.，2009）。

2.4 不同浓度过氧化氢对DCP降解的影响

图6 加入不同浓度过氧化氢后DCP降解动力学变化Fig. 6 Kinetics changes of DCP degradation after the addition of hydrogen peroxide at different concentrations

过氧化氢浓度是影响芬顿反应速率的重要因素。为了探究半胱氨酸/针铁矿体系对过氧化氢的敏感程度，研究了不同过氧化氢浓度条件下对DCP降解。由图6可知，在过氧化氢浓度为1—10 mmol·L-1范围内，随着浓度的升高，DCP的降解率逐渐升高，当过氧化氢浓度为10 mmol·L-1时，DCP的降解率达到了80.3%。表明随着反应体系中过氧化氢浓度的增加，DCP的降解率也随之上升。原因是体系中过氧化氢浓度的升高促进了类芬顿反应的发生（式2），体系中产生更多的活性氧，有利于DCP的降解（Fischbacher et al.，2017）。但是当过氧化氢浓度提高到20 mmol·L-1时，DCP的降解率下降至73.7%。主要是由于过量的过氧化氢会与半胱氨酸反应，减少了有效作用于Fe(Ⅲ)的半胱氨酸的量（Lu，2000；Luo et al.，2005），使芬顿反应速率下降，从而降低了DCP降解率。

2.5 不同pH对DCP降解的影响

pH为芬顿反应的限制条件之一，过高或过低pH都会限制其反应速率。本实验选取pH 3—7研究半胱氨酸强化针铁矿和过氧化氢对DCP降解的影响。如图7所示，在pH=3时，半胱氨酸强化针铁矿和过氧化氢对DCP降解率最高为65.8%，有研究表明芬顿反应的最适 pH 范围为 2.8—3.2（Neyens et al.，2003），这与本文结果一致。在pH 3—5范围内，随着pH升高，DCP的降解效率逐渐降低。在pH 5—7范围内时，DCP的降解率（20%—21%）不再随着pH升高而发生明显变化。同时测定了不同pH体系中反应60 min后溶液中Fe(Ⅱ)和Fe(Ⅲ)浓度，由图8可见，pH 3体系中Fe(Ⅱ)、Fe(Ⅲ)浓度最高，并且在pH 3条件下溶液中Fe(Ⅱ)、Fe(Ⅲ)都以离子形态存在，有利于芬顿反应发生（Fischbacher et al.，2017）。随着pH升高，体系中Fe(Ⅱ)、Fe(Ⅲ)浓度均相应减少，是由于pH升高，体系中的Fe(Ⅱ)、Fe(Ⅲ)发生絮凝（Gallard et al.，1999；Jeon et al.，2003），从而使芬顿反应速率变慢，活性氧的产生也相应减少（Fischbacher et al.，2017），与随着pH升高DCP降解率降低的结果一致。当pH升至5和7时，DCP的降解率与针铁矿和过氧化氢体系的降解率接近，此时 DCP浓度的降低是由于半胱氨酸或针铁矿对其的微弱吸附作用和过氧化氢的氧化作用（Lu，2000；Kong et al.，2017）。

图7 不同pH条件下DCP降解动力学变化Fig. 7 Kinetics changes of DCP degradation under different pH conditions

图8 反应60 min后溶液中Fe(Ⅱ)和Fe(Ⅲ)的浓度Fig. 8 Fe (Ⅱ) and Fe (Ⅲ) concentrations in solution after 60 min reaction

2.6 不同有机配体对DCP氧化的影响

有研究表明，当存在草酸、柠檬酸等配体时，能显著增强 Fe(Ⅲ)的光芬顿反应（Manenti et al.，2015）。为了探究自然界中不同配体对半胱氨酸还原针铁矿的影响，选取了草酸、柠檬酸和腐殖酸进行研究。由图9可知，草酸和腐殖酸的加入均对DCP的降解起到了促进作用，其中草酸的促进强度较大，主要是因为草酸的加入促进了针铁矿的溶解（Eick et al.，1999；Geelhoed et al.，1998；Huston et al.，1996；Cervini-Silva et al.，2002），增加了针铁矿向溶液中释放铁的速度，少量腐殖酸的存在会引发羟基自由基的生成（Ma et al.，1999）。柠檬酸则抑制了DCP的降解，并且使得DCP的降解变成一个匀速降解的过程，DCP降解率下降的原因是柠檬酸会络合体系中的Fe(Ⅲ)与Fe(Ⅱ)，从而减慢Fe(Ⅲ)还原以及 Fe(Ⅱ)与过氧化氢的反应（Abida et al.，2016；Goldberg et al.，1993；Pham et al.，2008）。

图9 加入不同有机配体（草酸、柠檬酸、腐殖酸）后DCP降解动力学变化Fig. 9 Kinetics changes of DCP degradation after addition of different organic ligands (oxalic acid, citric acid, humic acid)

3 结论

（1）结果表明，半胱氨酸的加入通过促进针铁矿表面Fe(Ⅲ)还原为Fe(Ⅱ)，强化了针铁矿类芬顿反应降解DCP，但当加入的半胱氨酸过量时会消耗体系中过氧化氢，使得DCP降解率下降，其中羟基自由基是针铁矿类芬顿反应中氧化降解 DCP的主要活性物种。

（2）影响因素实验表明，过氧化氢浓度的增加能够促进类芬顿反应，提高DCP降解率，但是过量的过氧化氢会消耗体系中的半胱氨酸，使 DCP降解率下降。在不同pH（3、4、5和7）条件下，DCP降解率随着pH值升高而下降，在pH 3时DCP降解率最大。

（3）不同有机配体加入实验结果表明，草酸和腐殖酸均能促进 DCP的降解，而柠檬酸则表现出对DCP降解的抑制作用。