The Fenton Reaction in Water Assisted by Picolinic Acid: Accelerated Iron Cycling and Co-generation of a Selective Fe-Based Oxidant

化学 吡啶甲酸 自催化 无机化学 草酸盐 过氧化氢 氧化还原 核化学 催化作用 铁质 有机化学
作者
Zhichao Yang,Chao Shan,Bingcai Pan,Joseph J. Pignatello
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:55 (12): 8299-8308 被引量:84
标识
DOI:10.1021/acs.est.1c00230
摘要

The Fenton reaction is limited by a narrow acidic pH range, the slow reduction of Fe(III), and susceptibility of the nonselective hydroxyl radical (HO•) to scavenging by water constituents. Here, we employed the biodegradable chelating agent picolinic acid (PICA) to address these concerns. Compared to the classical Fenton reaction at pH 3.0, PICA greatly accelerated the degradation of atrazine, sulfamethazine, and various substituted phenols at pH 5.0 in a reaction with autocatalytic characteristics. Although HO• served as the principal oxidant, a high-spin, end-on hydroperoxo intermediate, tentatively identified as PICA–FeIII–OOH, also exhibited reactivity toward several test compounds. Chloride release from the oxidation of 2,4,6-trichlorophenol and the positive slope of the Hammett correlation for a series of halogenated phenols were consistent with PICA–FeIII–OOH reacting as a nucleophilic oxidant. Compared to HO•, PICA–FeIII–OOH is less sensitive to potential scavengers in environmental water samples. Kinetic analysis reveals that PICA facilitates Fe(III)/Fe(II) transformation by accelerating Fe(III) reduction by H2O2. Autocatalysis is ascribed to the buildup of Fe(II) from the reduction of Fe(III) by H2O2 as well as PICA oxidation products. PICA assistance in the Fenton reaction may be beneficial to wastewater treatment because it favors iron cycling, extends the pH range, and balances oxidation universality with selectivity.
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