Simultaneous Deep Dehalogenation and Mineralization of Refractory Halogenated Organics in the ZVI-Water System: A Synergistic Reduction–Oxidation Process via the Reconstruction of the Hydrogen-Bond Network

化学 氧化剂 矿化(土壤科学) 催化作用 卤化 吸附 亲核细胞 氧化还原 原位 耐火材料(行星科学) 双功能 无机化学 氧气 硝基 甲烷氧化偶联 难熔金属 过渡金属 反应速率常数 还原剂 组合化学 螯合作用
作者
Lisha Yang,Tong Hu,Dong Zhang,Wenjun Zhou,Daohui Lin,Lizhong Zhu
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acs.est.6c05989
摘要

Abstract The synergistic redox process has emerged as an innovative strategy for the complete mitigation of refractory halogenated organics. However, constructing an in situ oxidation–reduction coupling in the ZVI-water system remains challenging due to cross-quenching. Herein, a bifunctional ZVI-NFNi catalyst was engineered by incorporating NH4F to reconstruct the hydrogen-bond network of adsorbed water, which created a micropartition to couple atomic hydrogen (H*) reduction with active oxygen (•OOH) oxidation. Experimental and theoretical analyses revealed that NH4F disrupted tetrahedral H-bonding of H2O via strong F/N–H···[OH···OH2]δ+ interactions, thereby accelerating H2O splitting and H* generation, which dramatically enhanced nucleophilic dechlorination of 4-chlorophenol (4-CP) to 93.8%, with a rate constant (0.87 min–1) of 12.2 times higher than that of ZVI-Ni. More significantly, the hydrogen bond electrostatic gradients of NH4F on ZVI-NFNi enhanced *O stabilization at N sites, while H* was trapped at F sites. These micropartitions promoted H*-driven *O reduction to •OOH (H* + O2 → *OOH), thus oxidizing the residual carbon skeleton and significantly raising the mineralization efficiency of 4-CP to 87.6% (vs 29.1% for ZVI-Ni). This study innovatively integrates in situ redox partition in ZVI-H2O systems through the reconstruction of hydrogen-bond networks, offering a synergistic strategy for the complete detoxification of refractory halogenated pollutants.
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