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Rapid and Highly Selective Fe(IV) Generation by Fe(II)-Peroxyacid Advanced Oxidation Processes: Mechanistic Investigation via Kinetics and Density Functional Theory

动力学 密度泛函理论 化学 化学工程 计算化学 物理 工程类 量子力学
作者
Junyue Wang,Juhee Kim,Jiaqi Li,Caroline Krall,Virender K. Sharma,Daniel Charles Ashley,Ching‐Hua Huang
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
被引量:32
标识
DOI:10.1021/acs.est.4c05234
摘要

High Resolution Image Download MS PowerPoint Slide High-valent iron (Fe(IV/V/VI)) has been widely applied in water decontamination. However, common Fe(II)-activating oxidants including hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) and persulfate react slowly with Fe(II) and exhibit low selectivity for Fe(IV) production due to the cogeneration of radicals. Herein, we report peroxyacids (POAs; R–C(O)OOH) that can react with Fe(II) more than 3 orders of magnitude faster than H 2 O 2, with high selectivity for Fe(IV) generation. Rapid degradation of bisphenol A (BPA, an endocrine disruptor) was achieved by the combination of Fe(II) with performic acid (PFA), peracetic acid (PAA), or perpropionic acid (PPA) within one second. Experiments with phenyl methyl sulfoxide (PMSO) and tert -butyl alcohol (TBA) revealed Fe(IV) as the major reactive species in all three Fe(II)-POA systems, with a minor contribution of radicals (i.e., • OH and R–C(O)O • ). To understand the exceptionally high reactivity of POAs, a detailed computational comparison among the Fenton-like reactions with step-by-step thermodynamic evaluation was conducted. The high reactivity is attributed to the lower energy barriers for O–O bond cleavage, which is determined as the rate-limiting step for the Fenton-like reactions, and the thermodynamically favorable bidentate binding pathway of POA with iron. Overall, this study advances knowledge on POAs as novel Fenton-like reagents and sheds light on computational chemistry for these systems.
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