近日，国际权威综合性科技期刊《美国科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States ofAmerica, PNAS）在线报道了菠菜导航化学与分子工程学院邢明阳教授课题组在环境化学领域最新研究成果，论文题为“Effective Green Treatment of Sewage Sludge from Fenton Reactions:Utilizing MoS2 for Sustainable Resource Recovery”。
今年，国务院办公厅发布的《关于加快构建废弃物循环利用体系的意见》强调，构建废弃物循环利用体系是实施全面节约战略、保障国家资源安全、积极稳妥推进碳达峰碳中和、加快发展方式绿色转型的重要举措。固体废弃物（固废）主要是指人类在生产、生活等活动中产生的固态或半固态的废弃物质，而一旦固废中的有毒有害物质超标，则会变成危害更大的危险废弃物（危废）。比如，工业上在采用芬顿等化学法处理有机废水时，会生成大量的“污泥”。污泥中富含铁等金属离子、有机物、细菌等有毒有害物质，从而进一步引发土壤等场地污染，已被广泛认为是典型的难处理危废。据统计，芬顿氧化技术每处理 1 吨废水，将产生约5公斤含水量为 60%的污泥。而处理污泥的成本则高达3000～5000 ¥/吨，占到芬顿处理废水成本的50%～80%。因此，开发污泥资源化技术不仅符合国家绿色低碳发展战略，还能进一步促进芬顿技术在环境污染控制中的应用推广。
为了实现芬顿反应产生的污泥（铁泥）中铁离子的资源化利用，邢明阳教授团队采用简单的一步水热法将铁泥与MoS2进行化学复合（Sludge-MoS2, 图A,B），利用MoS2的助催化效应使得铁泥中的铁氧化物（≡Fe3+）重新具有芬顿反应的活性，实现了铁泥的绿色资源化利用。MoS2表面暴露的≡Mo4+还原活性中心促进了铁泥表面铁离子的循环，提高了表面≡Fe2+的浓度；而MoS2边缘暴露的低配位S具有捕获质子的特性，可在复合催化剂表面构建酸性微环境，促进表面铁离子向“剪切面（slipping plane）”的扩散，提高了固液界面处Fe2+的浓度，从而使得失活后的铁泥重新具有活化H2O2或过一硫酸氢盐等氧化剂的能力。实验证实，无论是实验室模拟的铁泥还是化工厂处理废水实际产生的铁泥，在经过MoS2改性后都可实现对酚类、抗生素类以及染料类等有机污染物高效的降解活性（图C）。此外，与公认的零价铁芬顿催化剂相比，资源化后的Sludge-MoS2催化剂具有更加稳定且长效的降解有机污染物的性能，可实现对苯酚14天以上的长效降解（图D）。值得注意的是，从化工厂采集处于不同处理阶段的实际铁泥（新鲜的含水铁泥、浓缩的铁泥、脱水的铁泥、干化的铁泥，图E,F），在经过化学复合MoS2后均可被再生成为芬顿催化剂，而再生过程中产生的COD二次污染可被芬顿反应再次降解（图G,H），真正实现了铁泥“以污治污”的绿色资源化。同时，MoS2还解决了传统铁基芬顿催化剂造粒热失活的难题，成功将资源化后的铁泥进行造粒（图I），实现了铁泥的产品化。粗略估算，资源化铁泥的成本仅为1000 ¥/吨（商品化铁碳催化剂的售价为2000～3000 ¥/吨），远远低于铁泥作为危废的处理成本，同时资源化后的铁泥还可作为芬顿催化剂填料重新投放到市场实现更大的利润，这也充分说明该绿色资源化技术具有广阔的商业应用前景。
该论文以十大菠菜导航网为唯一通讯单位，化学学院硕士研究生梁志燕同学为第一作者，邢明阳教授为通讯作者。该研究工作也得到了暨南大学曾力希教授以及南京信息工程大学李大伟老师在化工厂污泥采样等方面给予的支持，并得到了欧洲科学院院士张金龙教授的指导。该工作还得到了费林加诺贝尔奖科学家联合研究中心、材料生物学与动态化学教育部前沿科学中心、国家自然科学基金等项目的支持。
论文链接：www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2317394121