ABNO-Functionalized Silica as an Efficient Catalyst for Enhancing Permanganate Oxidation of Emerging Contaminants

催化作用 化学 高锰酸盐 双酚A 动力学 反应性(心理学) 共价键 多相催化 有机化学 量子力学 医学 物理 病理 环氧树脂 替代医学
作者
Honglong Zhang,Jun Ma,Jing Zhang,Timothy J. Strathmann
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:57 (1): 635-642 被引量:11
标识
DOI:10.1021/acs.est.2c06978
摘要

Recent reports indicate that some soluble electron-shuttling compounds (or organic mediators) can accelerate reactions between permanganate (Mn(VII)) and contaminants of emerging concern. However, practical application is limited to homogeneous electron-shuttling compounds. This study reports on the development and application of a heterogeneous electron-shuttling catalyst for Mn(VII) reactions with bisphenol A (BPA). First, we screened a series of poly/monocyclic nitroxides, finding that 9-azabicyclo[3.3.1]nonane N-oxyl (ABNO) provides the most significant enhancement of Mn(VII)/BPA reaction kinetics, where Mn(VII) oxidizes ABNO to BPA-reactive ABNO+. Next, we immobilized ABNO onto silica (SiO2) by covalent bonding of 9-azabicyclo[3,3,1]nonan-3-one-9-oxyl (keto-ABNO) via a 3-aminopropyltriethoxysilane bridge to yield an ABNO@SiO2 heterogeneous catalyst. The performance of ABNO@SiO2 in catalyzing Mn(VII)/BPA reactions is demonstrated, with BPA reaction kinetics being highly dependent on catalyst dosage and pH conditions. The stability of ABNO@SiO2 was retained at pH 5.0 and decreased slightly at pH 7.0 over five successive Mn(VII)/BPA reaction cycles. Kinetics modeling shows that BPA reacts with immobilized ABNO+, Mn(VII), and in situ formed MnO2. Moreover, ABNO+ can form via ABNO reactions with both Mn(VII) and the in situ formed MnO2. These results indicate a promising strategy for developing practical heterogeneous catalysts for enhancing Mn(VII) reactivity and treatment applications.
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