Mechanism of Hydrolysis of Microcystins Enhanced by Lewis Acid Sites on the Surface of Pyrite-Fe（Ⅲ）

doi:10.7503/cjcu20240086

Abstract

Abstract:

Natural mineral（Pyrite） can effectively degrade microcystins（Microcystins， MCs） in water at warm temperature（60 ℃）（k=0.072 min^‒1）， but how to break through the heat bottleneck and attain efficient degradation of MCs at room temperature ［（25±5） ℃］ are still a technical issue in water treatment nowadays. In this study， the addition of iron ions（Fe³⁺， FeCl₃） can accelerate the hydrolysis efficiency of microcystins-RR（Microcystin-RR， MC-RR） in pyrite system at room temperature（hydrolysis contribution rate 77.94%）， and the degradation rate constant（0.36 h^‒l） was three times higher than that of pyrite alone（0.12 h^‒l）. X-ray photoelectron spectroscopy（XPS）， cyclic voltammetry（CV）， in situ attenuated total reflection-Fourier transform infrared spectroscopy（in situ ATR-FTIR） and density functional theory（DFT） suggested that the addition of Fe³⁺ enhanced the amount of iron sites of Lewis acid on pyrite surface by forming Fe（Ⅲ）—O bond， and then hydrolyzed MC-RR amide bond through its coordination with C=O. Additionally， the addition of Fe³⁺ can oxidize the multivalent sulfur species on the surface of pyrite（S _n^{2 ‒}， S₂^{2 ‒}） to elemental sulfur（S₀）， further promoting the hydrolysis of MC-RR by forming hydrogen bond （—NH…S）. This study not only provides a normal temperature mineral treatment technology for cyanobacteria bloom treatment， but also provides a theoretical basis for the self-purification mechanism of amide organic pollutants in natural water.

Key words: Microcystins, Lewis acid site, Hydrolysis, Pyrite, Catalytic mechanism

CLC Number:

O643

TrendMD:

LAN Xing, HE Yuting, ZHANG Qing, FANG Yanfen, DENG Anping, ZHAO Haixia, ZHANG Zhaonian. Mechanism of Hydrolysis of Microcystins Enhanced by Lewis Acid Sites on the Surface of Pyrite-Fe（Ⅲ）[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(7): 20240086.

Figures/Tables 6

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Product	m/z	Predicted structure
A	1038.4	MC⁃RR+H
O1（oxidation）	1013.2	O1+NH（oxidation）
H1（hydrolysis）	975.3	H1+2Na+3H（hydrolysis）
H2（hydrolysis）	149.8	H2+2H（hydrolysis）
H3（hydrolysis）	615.3	H3（hydrolysis）
H4（hydrolysis）	737.2	H4+H₂O+H（hydrolysis）

Product	m/z	Predicted structure
A	1038.4	MC⁃RR+H
O1（oxidation）	1013.2	O1+NH（oxidation）
H1（hydrolysis）	975.3	H1+2Na+3H（hydrolysis）
H2（hydrolysis）	149.8	H2+2H（hydrolysis）
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