Atomic-Level Structural Differences between Fe(III) Coprecipitates Generated by the Addition of Fe(III) Coagulants and by the Oxidation of Fe(II) Coagulants Determine Their Coagulation Behavior in Phosphate and DOM Removal

化学 氧化剂 凝结 磷酸盐 絮凝作用 扩展X射线吸收精细结构 原位 无机化学 吸收光谱法 有机化学 心理学 物理 量子力学 精神科
作者
Bingqian Yang,Nigel Graham,Peng Liu,Mengjie Liu,John Gregory,Wenzheng Yu
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:57 (33): 12489-12500 被引量:6
标识
DOI:10.1021/acs.est.3c03463
摘要

In situ Fe(III) coprecipitation from Fe2+ oxidation is a widespread phenomenon in natural environments and water treatment processes. Studies have shown the superiority of in situ Fe(III) (formed by in situ oxidation of a Fe(II) coagulant) over ex situ Fe(III) (using a Fe(III) coagulant directly) in coagulation, but the reasons remain unclear due to the uncertain nature of amorphous structures. Here, we utilized an in situ Fe(III) coagulation process, oxidizing the Fe(II) coagulant by potassium permanganate (KMnO4), to treat phosphate-containing surface water and analyzed differences between in situ and ex situ Fe(III) coagulation in phosphate removal, dissolved organic matter (DOM) removal, and floc growth. Compared to ex situ Fe(III), flocs formed by the natural oxidizing Fe2+ coagulant exhibited more effective phosphate removal. Furthermore, in situ Fe(III) formed through accelerated oxidation by KMnO4 demonstrated improved flocculation behavior and enhanced removal of specific types of DOM by forming a more stable structure while still maintaining effective phosphate removal. Fe K-edge extended X-ray absorption fine structure spectra (EXAFS) of the flocs explained their differences. A short-range ordered strengite-like structure (corner-linked PO4 tetrahedra to FeO6 octahedra) was the key to more effective phosphorus removal of in situ Fe(III) than ex situ Fe(III) and was well preserved when KMnO4 accelerated in situ Fe(III) formation. Conversely, KMnO4 significantly inhibited the edge and corner coordination between FeO6 octahedra and altered the floc-chain-forming behavior by accelerating hydrolysis, resulting in a more dispersed monomeric structure than ex situ Fe(III). This research provides an explanation for the superiority of in situ Fe(III) in phosphorus removal and highlights the importance of atomic-level structural differences between ex situ and in situ Fe(III) coprecipitates in water treatment.
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