01
图文摘要
02
成果简介
近日，四川大学德渥群芳高级氧化创新团队硕士研究生章妍在《Water Research》上发表了题为《Redox-synergistic mechanisms and engineering implementation of microscale zero-valent iron-based processes for refractory organic wastewater treatment》的综述论文（DOI: 10.1016/j.watres.2025.125015）。
该文系统阐述了微米零价铁工艺处理难降解有机废水的氧化还原协同机制与工程应用，构建了从理论到工程实践的知识框架。
论文基于微米零价铁的还原、氧化和吸附-混凝等多功能的协同作用，系统性总结了污染物分子结构特征与主导去除路径的对应关系，为不同特性的有机污染物的高效去除提出了系统性的技术路径参考。
针对实际废水中多污染物共存的复杂特性，文章进一步梳理了重金属-有机物、硝酸盐-有机物等复合污染体系的协同转化机制，突破了传统单一污染物处理模式的局限性。
在此基础上，构建了四类基于旋流体装置的微米零价铁工艺，为不同难降解有机废水提供针对性的解决方案。该综述为微米零价铁技术在实际难降解有机废水中的工程化应用提供了系统的理论支撑和可行的实施路径。
03
引 言
全球工业化进程的加速导致难降解有机废水排放量持续攀升，对水环境安全构成严重威胁。传统生物处理技术对有毒污染物耐受性差，而常规物理化学方法多局限于污染物的相转移，难以实现彻底降解与解毒。
在此背景下，零价铁技术因其环境友好、多途径去除污染物能力等优势，成为水污染控制领域的有效解决方案。该综述通过系统比较不同粒径零价铁材料的特性，明确指出微米零价铁在成本效益与处理效能方面展现出显著优势，更具实际应用前景。
文章在此基础上，深入探讨了微米零价铁技术在单一有机污染物降解、复合污染体系协同处理等方面的作用机制，并介绍了基于微米零价铁的装置设计进展和工艺构建策略。
最后，该文章展望了微米零价铁工艺在未来研究中需要突破的关键方向，旨在为推动废水处理技术的创新发展提供理论依据和工程指导。
04
图文导读
零价铁的尺度效应
图1. 不同粒径的零价铁材料
零价铁的粒径直接影响其应用性能。根据尺寸可分为纳米级（<100 nm）、微米级（50 ~ 500 μm）和大颗粒（>500 μm）零价铁。
大颗粒零价铁（如铁屑、铁刨花等）虽成本低，但反应效率较低；纳米零价铁虽活性高，但易团聚、易钝化。
微米零价铁在三者中取得了最佳平衡：其适中的比表面积实现Fe(II)的可控释放，既保持良好反应活性，又克服了纳米材料的团聚问题，同时成本远低于纳米材料，兼具经济性和实用性，成为废水处理领域的理想选择。
微米零价铁工艺对有机物的分子结构导向降解机制与途径
图2. 还原-氧化耦合工艺去除卤代芳烃、硝基芳烃和染料
微米零价铁技术通过还原、氧化及吸附-混凝等多途径协同去除污染物，而污染物的分子结构特征（如官能团电负性、芳香体系共轭强度）是决定其主要降解途径的关键因素。缺电子污染物（如卤代烃）主要通过微米零价铁介导的直接电子转移或间接原子氢还原实现脱卤去除。
富电子污染物（如酚类、苯胺类）则主要通过微米零铁活化分子氧等氧化剂产生活性氧物种，驱动芳香环开环与键断裂反应。对于结构复杂的难降解有机物（如卤代芳烃、硝基芳烃及染料），其分子中同时存在吸电子与给电子基团，通常采用“先还原-后氧化”耦合工艺：第一阶段通过还原转化吸电子基团（如硝基、卤素），破坏共轭体系并生成富电子中间体；第二阶段利用氧化作用实现中间体的开环与深度矿化。该分步策略可有效避免氧化剂对还原过程的抑制，并阻断有毒中间体的积累。
微米零价铁技术在复合污染体系中的协同转化机制
图3. 微米零价铁技术对重金属与有机污染物的协同去除机制
微米零价铁技术在处理单一污染物时表现出明确的作用机制和良好的处理效果，然而实际工业废水通常呈现复杂的复合污染特征。在重金属与有机物共存体系中，溶解态重金属离子在微米零价铁表面被还原沉积，形成具有催化活性的双金属界面。这一过程既实现了重金属的原位固定，同时增强了氧化剂的活化效率，进而显著提升有机污染物的降解效果。
在硝酸盐与有机污染物共存体系中，硝酸盐的电子竞争作用会与氧气竞争微米零价铁释放的电子从而抑制有机物的去除。
但通过“先还原后氧化”耦合工艺设计，可利用硝酸盐促进微米零价铁腐蚀和Fe(II)释放的特性，为后续氧化阶段提供充足的活性铁源，从而强化有机物的降解效率。与此同时，硝酸盐被定向转化为氨氮，为后续氮资源的回收创造了有利条件。
针对实际废水中普遍存在的其他共存离子（如氯离子、碳酸根离子等）带来的挑战，未来研究需深入揭示其在复杂基质中的微观作用机制，通过优化工艺参数和控制策略，最终实现微米零价铁技术在复杂废水修复中的高效、可持续应用。
微米零价铁的装置与工艺
图4. 零价铁反应器结构示意图
微米零价铁技术在实际应用中面临表面钝化、电子利用效率低及铁泥积累等问题，反应器优化和工艺创新成为提升传质效率与界面活性的关键。
传统的固定床反应器采用铁屑等大粒径零价铁，存在传质效率低、填料易堵塞及钝化等问题。流化床反应器通过湍流维持颗粒部分悬浮，虽增强了传质与抗钝化能力，但能耗较高且存在填料流失风险。
该团队研发的高速旋流体反应器，通过多喷嘴旋流场实现微米零价铁的均质流化，有效解决了传质效率低与填料固结问题，且能显著降低填料损耗。该反应器虽结构相对复杂、建设成本较高，但凭借其在处理效率与运行稳定性方面的显著优势，为微米零价铁技术的工程化应用提供了可靠解决方案。实际工程中可根据废水特性与经济效益综合选择合适的反应器类型。
图5. 基于旋流体反应器的微米零价铁工艺
旋流体反应器通过离心力场强化微米零价铁的流化效果，有效克服了填料压实与传质效率低的技术瓶颈，在低能耗下维持材料活性并降低损耗。将该反应器与微米零价铁工艺耦合，构建了四种微米零价铁工艺，为各类难降解有机废水提供了定制化解决方案。相较于传统芬顿、UV-芬顿及电芬顿等主流技术，基于旋流体反应器的微米零价铁技术在强化降解性能的同时，降低了化学品消耗与铁泥生成，使运行成本显著降低，环境风险得到有效控制。这些优势使微米零价铁技术具备显著的工程应用潜力。
05
小 结
微米零价铁技术通过还原、氧化和吸附-混凝等多途径协同去除污染物，其适宜的粒径在保证高反应活性的同时兼具成本优势，在工业废水处理中展现出应用潜力。
该综述系统阐明了微米零价铁技术中污染物结构导向降解机制，并揭示了该技术在复杂废水系统中的协同转化机制。
基于旋流体反应器构建的四类微米零价铁工艺，充分利用了微米零价铁的还原和氧化特性，为工业难降解有机废水处理提供了针对性的解决方案。
随着对反应机理的深入探索和反应装置与处理工艺的持续创新，该技术有望成为工业废水处理领域的重要技术路径。
06
作者介绍
章妍：女，德渥群芳高级氧化创新团队在读硕士研究生，研究方向为水处理理论与技术。在读期间，以第一作者身份在Water Research期刊上发表论文1篇。