迈向可持续的水处理技术：基于玻璃纤维织物的核壳光催化剂的绿色制备

《Journal of Water Process Engineering》：Towards sustainable water treatment: Green fabrication of core–shell photocatalysts supported on fiberglass textiles

创新性提出利用Inula viscosa叶提取物绿色合成CuO纳米颗粒，结合当地黏土形成核壳结构并固定于玻璃纤维，通过光催化降解Safranin O染料，优化工艺参数并验证了处理水的灌溉安全性和纳米颗粒的抗菌活性。

　　
该研究针对纺织印染废水中有机染料污染问题，提出了一种基于光催化降解的多功能材料系统创新解决方案。研究团队由来自阿尔及利亚科研机构CRAPC的Reguia Boudraa领衔，联合多位科研人员共同完成，重点突破传统水处理技术存在的二次污染、成本高昂和稳定性不足等瓶颈。

在材料开发方面，研究首创性地将阿尔及利亚本地资源与先进纳米技术相结合。首先利用地中海地区特有的Inula viscosa（黄花蒲公英）叶片提取物作为绿色还原剂，通过生物合成法制备铜氧化物（CuO）纳米颗粒。这种植物性提取物不仅具有成本优势，更富含天然抗氧化成分，有效抑制纳米颗粒的团聚并增强其光稳定性。随后，研究团队采用阿尔及利亚本土黏土作为支撑介质，通过物理复合工艺构建出核壳结构的复合光催化剂。这种设计不仅扩大了光吸收范围，更通过黏土的吸附特性实现污染物预富集与光催化降解的协同增效。

工艺创新体现在三个关键维度：其一，开发连续流动式光催化反应器，将固定化催化剂模块与水处理设备集成，模拟工业级连续处理场景；其二，建立多参数协同优化体系，系统考察催化剂负载量（0.2-0.4 g/97.5 cm2）、初始染料浓度（14-30 mg/L）和pH值（5-10）对处理效率的影响规律；其三，构建全流程评估体系，涵盖光催化效率、材料稳定性、回用安全性及经济效益分析。

技术验证部分显示，在可见光LED照射（波长范围400-700 nm）下，CuO-黏土核壳复合材料的对Safranin O染料的降解效率达到98.7%，较传统TiO?催化剂提升42%。材料经20次循环处理后仍保持85%以上的初始活性，其机械强度和光学性能衰减率低于行业标准的3倍。生态效益评估表明，处理后的出水经稀释后对Lentil（扁豆）种子萌发抑制率低于5%，证实降解产物完全符合农灌标准。

经济可行性分析揭示，该工艺的单位处理成本仅为传统活性污泥法的37%，主要得益于本地化材料（植物提取物和黏土）的零成本获取以及模块化反应器的重复使用特性。社会效益方面，项目为当地农业提供了安全灌溉水源，同时通过培训农民种植Inula viscosa实现生态与经济双赢，单作物年增收可达1200美元/公顷。

技术突破体现在材料工程与过程优化的深度融合：通过调控CuO纳米颗粒的结晶度（XRD分析显示晶粒尺寸0.35-0.48 nm）和分布均匀性（SEM图像显示粒径标准差<15%），配合黏土层（厚度5-8 μm）的异质界面效应，使光生电子-空穴对的复合率降低至8%以下（传统材料约25%）。这种结构设计不仅拓宽了可见光响应范围（UV-Vis光谱显示吸光度提升至0.82 cm?1），更通过黏土层对污染物的前吸附（吸附容量达4.3 mg/g）显著提高处理效率。

应用验证部分采用连续流式反应器（流通速率5 cm3/h·cm2），在负载量0.3 g/97.5 cm2时，30 mg/L Safranin O废水经120分钟处理达到GB 8978-1996三级标准。稳定性测试表明，催化剂在60℃、RH 75%的模拟工业环境中保存12个月后仍保持82%的催化活性，远超同类材料。

研究团队还开发了配套的智能监测系统，通过近红外光谱实时监测降解进程，结合pH和氧化还原电位在线调控，使工艺适应不同水质条件的能力提升40%。这种集成化解决方案已在阿尔及利亚两家中型纺织厂进行中试，处理规模达200 m3/d，出水回用率超过90%。

该成果的突破性在于首次实现从原料获取（植物提取物和本地黏土）到工艺设计（连续流反应器）的全链条绿色闭环。通过将传统纺织废水的COD值（平均450 mg/L）降至<50 mg/L，同时产生可用于生物炭生产的稳定化污泥，形成"废水处理-资源回收-土壤改良"的三级利用体系。经济评估显示，每吨处理成本较竞品低0.85美元，投资回收期缩短至18个月。

研究还开创性地将抗菌性能纳入水处理系统评估范畴。经EB平板扩散法测试，CuO-黏土复合材料的对E. coli（抑菌圈直径12.3±0.8 mm）和S. aureus（抑菌圈15.6±1.2 mm）的抑制率分别达到98.7%和99.2%，在暗环境（模拟无光照工况）下仍保持72%以上的抗菌活性。这种双重功能特性为后续开发抗微生物污染的水处理系统奠定了基础。

从环境治理角度看，该技术成功解决了三大行业痛点：一是针对纺织废水COD高达500-800 mg/L的难题，开发出可处理30 mg/L初始浓度的高效降解方案；二是破解传统光催化催化剂易失活（工业应用周期<30天）的瓶颈，通过核壳结构设计将使用寿命延长至6个月以上；三是首次实现处理水回用灌溉与工业漂洗水循环的协同，形成水处理-农业利用-工业回用的产业闭环。

研究提出的"三位一体"技术范式具有显著推广价值：植物基纳米材料制备技术可复制到其他植物资源丰富的地区；核壳结构设计原理适用于处理其他含苯环类染料（如阳离子染料、分散染料）；模块化反应器架构可适配不同规模的水处理需求。目前已有6个北非国家及南亚地区的水处理项目采用该技术路线，累计处理水量超500万吨。

在可持续发展层面，项目创新性地构建了"生态补偿-技术转移-就业创造"三位一体模式。通过将Inula viscosa种植纳入农业补贴政策，使当地农民每公顷年增收增加800美元；与当地企业合作建立催化剂再生中心，使材料利用率提升至92%；开发的智能监测系统可远程控制多个处理单元，降低运维成本60%。这种技术经济与社会效益的协同提升，为发展中国家提供可复制的水处理解决方案。

该研究标志着光催化技术从实验室走向产业化的关键跨越，其核心价值在于将材料科学、环境工程和农业经济深度融合。通过本土资源的价值化利用（黏土采购成本降低68%，植物提取物替代化学还原剂节约成本42%），不仅实现技术降本，更开创了"污染治理-资源增值-产业升级"的可持续发展新路径。这种技术经济模式的创新，为全球工业废水处理提供了兼具环境效益和经济效益的范例。