基于生物的pH响应性吲哚-壳聚糖微粒，用于靶向激活植物H+-ATP酶并减少农业生态系统中的除草剂残留

《Journal of Hazardous Materials Advances》：Bio-based pH-responsive indole–chitosan microparticles for targeted plant H+-ATPase activation and mitigation of herbicide residues in agroecosystems

DMSO污染治理通过电催化膜Sn/Sb双位点实现ClO•自由基选择性氧化，生成低毒DMSO2，能耗仅0.20kWh/m3，碳排放量0.26kg-CO?/m3，显著优于传统Fenton法。

　　在当今工业发展迅速的背景下，有机污染物的处理成为环境保护领域的重要课题。其中，二甲基亚砜（DMSO）作为一种广泛使用的有机溶剂，在制药、半导体、液晶显示器（TFT-LCD）制造以及高分子材料等领域具有不可替代的作用。然而，DMSO的高毒性及其在生物降解过程中可能生成更具毒性的中间产物，使得其处理面临严峻挑战。传统方法如芬顿氧化和臭氧氧化虽然在一定程度上能够去除DMSO，但往往伴随着较高的化学能消耗和不可控的碳排放，难以满足现代工业对可持续性和低碳排放的要求。因此，开发一种能够有效、可控地将DMSO转化为更易降解且毒性更低的中间产物的处理技术，成为当前研究的热点。

本研究提出了一种基于电催化氯介导的直接氧转移路径的新方法，能够在低能耗和低碳排放的条件下高效去除DMSO。该方法的核心在于构建一种带有Sn-Sb双催化位点的电催化膜，其表面经过改性后能够显著提升氯演化反应的活性。实验结果显示，该膜能够产生高浓度的ClO•自由基，其稳态浓度达到1.73 × 10?13 M。这些自由基能够与DMSO发生反应，通过硫-氧桥接的方式，快速形成二甲基砜（DMSO?）。相较于传统方法，该技术不仅在短时间内（10分钟内）实现了对DMSO的近完全去除，而且其能耗仅为0.20 kWh/m3，远低于芬顿和PMS活化过程的能耗水平。此外，该系统在控制氧化过程中，能够在800 L/m2·h的通量下实现高达88.6%的DMSO?转化率，同时仅产生0.26 kg-CO?/m3的温室气体排放，这表明该技术在实现高效去除DMSO的同时，也大幅降低了碳排放，具有显著的环境优势。

DMSO在工业生产中的广泛应用，使其成为各类废水处理中的主要污染物之一。特别是在台湾的TFT-LCD制造过程中，每天排放的废水量高达200,000 m3，其中DMSO的浓度范围为500-800 mg/L。这种高浓度的DMSO不仅对人类健康构成威胁，例如对红血球、血小板和血管内皮细胞的毒性作用，而且在自然环境中可能引发一系列生态问题。研究表明，DMSO在生物降解过程中可能生成如二甲基硫、硫化氢和甲硫醇等更具毒性的中间产物，这些物质的排放会对水体和土壤造成进一步污染。因此，如何在不产生更多有害副产物的前提下，实现DMSO的有效去除，成为废水处理技术亟需解决的问题。

为了应对这一挑战，研究团队设计了一种基于电催化氧化的新型处理系统。该系统通过构建一种带有Sn-Sb双催化位点的电催化膜，实现了对DMSO的高效、选择性氧化。与传统的氧化方法相比，该系统能够在不添加化学试剂的情况下，通过电化学反应生成高活性的自由基，从而有效去除DMSO。Sn-Sb双位点的引入，不仅增强了膜对氯离子的吸附能力，还优化了电子转移效率，使得ClO•自由基的生成更加稳定和高效。这种自由基在水中的反应速率高达10? M?1·s?1，相较于其他自由基如羟基自由基（•OH）和硫酸根自由基（SO?•–），其选择性更强，能够更有效地与DMSO发生反应，而不会对其他物质造成不必要的氧化。

进一步的实验分析表明，ClO•自由基在与DMSO反应时，能够通过硫-氧桥接的方式，迅速形成DMSO?。这一过程不仅提高了DMSO的去除效率，还减少了其在生物降解过程中可能生成的有毒中间产物。因此，该技术不仅能够有效处理DMSO污染，还能在一定程度上降低后续处理的难度和成本。此外，该系统在实际应用中表现出良好的操作稳定性和经济性，能够在处理含有DMSO的工业废水中保持高效性能，同时减少能源和化学品的使用。

在理论层面，研究团队通过计算化学方法对反应机制进行了深入探讨。分子静电势（ESP）映射分析表明，DMSO分子在电催化过程中能够被ClO•自由基高效识别和作用。热力学计算进一步揭示了ClO•自由基在DMSO到DMSO?的转化过程中具有更低的活化能，这使得反应更加容易进行。这些理论计算结果与实验数据相吻合，证明了该技术在实现DMSO选择性氧化方面的可行性。此外，研究还发现，ClO•自由基在电催化系统中具有更高的稳定性，能够在反应过程中持续存在，从而保证了处理效率的持续性。

在实际应用中，该电催化膜系统能够有效处理多种工业废水，包括含有DMSO的制药废水、半导体制造废水和液晶显示器废水。实验结果显示，该系统在处理这些废水时，能够实现对DMSO的高效去除，同时减少其他污染物的生成。例如，在处理含有DMSO的制药废水时，该系统能够在短时间内将DMSO浓度降至极低水平，而不会对其他有机物造成不必要的氧化。这种选择性氧化能力，使得该技术在实际应用中具有更大的灵活性和适用性。

此外，该系统还具备良好的环境适应性。在处理不同浓度的DMSO废水时，能够保持较高的处理效率，这表明该技术不仅适用于高浓度DMSO废水的处理，也能够适应低浓度废水的净化需求。同时，该系统的运行条件相对温和，不需要极端的pH值控制或高温高压环境，这进一步降低了运行成本和对环境的影响。这种低能耗、低污染的处理方式，符合当前全球对可持续发展和低碳排放的迫切需求。

从经济角度来看，该电催化膜系统相较于传统方法具有显著的成本优势。由于不需要添加大量的化学试剂，减少了化学品的采购和储存成本。同时，其低能耗特性也降低了运行成本，使得该技术在大规模应用中更具可行性。此外，该系统能够有效减少后续处理的负担，例如减少铁污泥的生成，从而降低了废水处理的整体成本。这些优势使得该技术在工业废水处理领域具有广阔的应用前景。

在技术推广方面，该电催化膜系统不仅适用于DMSO的处理，还可能拓展到其他有机污染物的去除。例如，该系统在处理硝基苯、苯甲酸、1,4-二甲氧基苯和卡马西平等有机污染物时，也表现出良好的去除效果。这表明该技术具有广泛的应用潜力，能够适应不同类型的工业废水处理需求。此外，该系统的模块化设计也为其在不同规模的废水处理设施中的应用提供了便利。

在环保政策层面，该技术的开发符合当前各国对工业废水处理的政策导向。许多国家和地区已经将低碳排放和可持续发展作为环保政策的重要组成部分，而该技术的低能耗、低碳排放特性正好契合了这一方向。因此，该技术不仅具有技术上的可行性，还具备政策上的支持，有利于其在实际应用中的推广。

在实际应用中，该系统还表现出良好的可重复性和稳定性。经过多次实验验证，该系统在处理含有DMSO的废水时，能够保持较高的去除效率，而不会因运行时间的延长而出现性能下降。这表明该技术不仅适用于短期处理，也能够满足长期运行的需求。此外，该系统的维护成本较低，能够减少设备的更换频率，从而进一步降低整体运营成本。

综上所述，该电催化膜系统在DMSO处理方面展现出显著的优势。其低能耗、低碳排放、高效去除以及良好的选择性氧化能力，使其成为一种可持续、环保的废水处理技术。随着全球对环境保护和资源节约的重视程度不断提高，该技术有望在未来的工业废水处理中发挥重要作用，为实现绿色制造和可持续发展提供技术支持。