第一作者：胡轩（湖南大学）

通讯作者：谭小飞副教授、罗胜联教授

论文DOI: 10.1016/j.watres.2026.126995

图文摘要

成果简介

近日，湖南大学谭小飞老师和罗胜联老师等合作在Water Research上发表了题为“Spatially Decoupled MgFe₂O₄-Carbon Interfaces Promote Interfacial Electron Transfer for Concurrent BHA Degradation and As(III) Oxidation-Immobilization”的研究论文（DOI: 10.1016/j.watres.2026.126995）。针对矿物加工废水中砷与有机污染物复合污染、有机捕收剂BHA与As(III)对氧化剂、活性物种和表面位点存在竞争，且二者难以同步治理的问题，该研究开发了MgFe₂O₄改性生物炭（MF-BC）作为过二硫酸盐（PDS）的活化剂，用于苯甲羟肟酸（BHA）的同步降解与As(III)的氧化固定。MF-BC形成了功能分化、电子耦合的碳质域和MgFe₂O₄域。BHA对碳质域表现出相对优先的结合倾向，主要通过单线态氧介导的非自由基途径被降解，而PDS的活化和砷的截留主要发生在与MgFe₂O₄相关的域中。电化学测试、X射线光电子能谱以及密度泛函理论计算共同表明，BHA氧化过程中释放的电子通过碳质骨架传递至MgFe₂O₄，从而促进Fe(III)/Fe(II)循环并维持PDS的活化。As(III)通过自由基与非自由基的协同作用被氧化为As(V)，随后主要通过内层As-O-Fe络合实现固定。多营养级生态毒理测试证实，处理后水的生物毒性显著降低。本研究表明，在空间上将有机物氧化与砷转化过程解耦，可缓解共污染系统中的竞争性相互作用；而跨域电子转移则将这两个过程耦合起来，从而提升整体处理性能。

引言

为在共污染体系中同步去除As(III)和BHA，研究制备了磁性MgFe₂O₄改性生物炭（MF-BC），并将其用作PDS活化剂。在单一污染物和二元共污染条件下，评估了BHA与As(III)的去除性能及其相互作用。通过整合特定域亲和力分析、活性物种鉴定、电化学测试、铁价态分析、砷形态分析、XPS、同步辐射X射线吸收精细结构光谱以及密度泛函理论计算，进一步研究了反应机理。特别关注了界面电子转移、PDS活化、As(III)氧化以及As(V)的配位固定。最后，进行了多营养级生态毒性试验，以评估处理后水的生态安全性。不同于先前报道中主要依赖PDS活化降解单一有机污染物的MgFe₂O₄-生物炭/PDS体系，本研究揭示了复合污染体系中碳质域与MgFe₂O₄域在BHA降解和砷转化协同过程中“空间解耦、电子耦合”的作用机制。这一双域界面策略深化了对矿物加工废水中污染物协同转化机制的认识。

图文导读

双域界面的构筑与材料表征

Fig. 1. Morphological and physicochemical characterization of the prepared materials. SEM images of (a) BC, (b) MF, and (c) MF-BC; (d) TEM image, (e) HRTEM image, and (f) SAED pattern of MF-BC; (g) XRD patterns of BC, MF, and MF-BC; (h) FTIR spectra of BC, MF, and MF-BC; (i) XPS survey spectra of BC and MF-BC; (j) Raman spectra of BC and MF-BC; (k) N₂ adsorption-desorption isotherms and (l) pore size distributions of BC, MF, and MF-BC. Copyright 2026, Elsevier Inc.

研究以生物炭为骨架，引入MgFe₂O₄构筑了MF-BC。显微形貌、晶体结构与表面化学表征共同支持MgFe₂O₄与碳质骨架的复合结构，为污染物富集、PDS活化及砷固定提供界面基础。结合后续反应与机理分析，研究提出碳质域和MgFe₂O₄域之间的优先功能分配，并以此解释复合体系中的协同去除行为。

BHA降解与砷转化的活性物种

Fig. 2. Identification of reactive species involved in BHA degradation and As(III) removal in the binary As(III)-BHA system. (a) Effects of scavengers on BHA degradation; (b) solvent isotope comparison between H₂O and D₂O for BHA degradation; (c) effects of scavengers on As(III) removal at an initial As(III) concentration of 5 mg/L; (d) EPR spectra of DMPO-•OH and DMPO-SO₄^•⁻ adducts; (e) EPR spectra of DMPO-O₂^•⁻ adducts; (f) EPR spectra for ¹O₂ detection using TEMP; (g) comparison of As(III) removal at initial As(III) concentrations of 5 and 10 mg/L in the presence of different scavengers; (h) PMSO consumption and PMSO₂ formation in the binary As(III)-BHA system; and (i) solvent isotope comparison between H₂O and D₂O for As(III) removal. Copyright 2026, Elsevier Inc.

猝灭实验、电子顺磁共振（EPR）及H₂O/D₂O溶剂同位素对比结果共同表明，BHA主要经单线态氧（¹O₂）介导的非自由基途径降解；As(III)的氧化则涉及自由基与非自由基途径的共同作用，两种污染物对活性物种的依赖存在明显差异。综合污染物的结合倾向及界面表征，研究将这种反应路径差异与双域功能分工联系起来。

跨域电子转移与PDS活化

Fig. 3. Electrochemical, electronic structure, and XPS analyses of interfacial electron transfer in the MF-BC/PDS system. (a) LSV curves; (b) OCP responses upon the sequential addition of PDS and the pollutants; (c) i-t responses; (d) charge density difference maps and Bader charge analysis of interfacial charge redistribution; (e) PDOS of the C 2p and Fe 3d orbitals; and XPS spectra of (f) Fe 2p, (g) C 1s, and (h) O 1s. Copyright 2026, Elsevier Inc.

电化学测试、X射线光电子能谱（XPS）与密度泛函理论（DFT）计算从不同层面支持界面电子转移机制。Fe 2p谱拟合显示，二元体系反应后材料表面的Fe(II)相对比例由64.55%升至77.70%。结合电荷分布分析，研究提出BHA氧化释放的电子可经碳质骨架向MgFe₂O₄相关域转移，促进Fe(III)/Fe(II)循环并维持PDS活化。由此，具有优先功能分工的两类域通过电子传递建立联系，将BHA降解与PDS活化、砷转化过程耦合起来。

砷的氧化转化与表面固定

Fig. 4. As(III) oxidation and surface immobilization in the MF-BC/PDS system. (a) Temporal evolution of As(III), As(V), and total dissolved As concentrations in the binary As(III)-BHA system; (b) high-resolution As 3d XPS spectra of arsenic associated with MF-BC after treatment in the single-As(III) and binary As(III)-BHA systems; (c) As K-edge XANES spectra of arsenic associated with MF-BC and selected reference compounds; (d) Fourier-transformed EXAFS spectra in R space; (e) corresponding EXAFS fitting results in R space; (f) DFT-optimized As(V) adsorption configurations and adsorption energies at Fe/Mg-associated surface sites; and (g-i) three-dimensional wavelet-transform plots showing the local atomic environment of As(V) associated with MF-BC. Copyright 2026, Elsevier Inc.

溶液砷形态变化显示，As(III)氧化与水相总砷去除相伴发生。XPS拟合显示，二元体系反应后材料表面砷以As(V)为主，其相对比例约为84.1%。同步辐射X射线吸收谱与DFT计算进一步支持As(V)主要通过内层As-O-Fe络合固定于材料表面。该过程将砷的价态转化与固相固定相衔接，有助于降低水相中的砷浓度。

处理前后的生态毒性变化

Fig. 5. Ecotoxicity assessment of the binary As(III)-BHA system before and after treatment. (a) Wheat seedling morphology and corresponding shoot and root lengths; (b) zebrafish embryonic development; and (c) Escherichia coli colony formation. Copyright 2026, Elsevier Inc.

研究以小麦、斑马鱼和大肠杆菌为测试对象，从植物生长、胚胎发育与细菌生长等方面评估处理前后水样的毒性。与未经处理的二元污染水样相比，MF-BC/PDS处理后水样对上述生物模型的不利影响减轻，表明污染物去除伴随生物毒性降低，为评价该体系的环境效益提供了实验依据。

小结

这项工作提出了一种“空间解耦、电子耦合”的复合污染治理新策略。借助MgFe₂O₄改性生物炭上功能分化的碳质域与MgFe₂O₄域，研究将BHA的氧化降解与As(III)的氧化固定在空间上分离，避免了有机污染物与砷对活性物种和表面位点的竞争；同时，BHA氧化释放的电子经碳质骨架跨域传递至MgFe₂O₄，驱动Fe(III)/Fe(II)循环、维持PDS活化，将两个过程有机耦合。其中，BHA经单线态氧介导的非自由基途径降解，As(III)氧化为As(V)后通过内层As-O-Fe络合固定，处理后水体毒性显著降低。该研究为砷-有机复合污染废水的协同治理提供了可借鉴的设计思路。