三维 MoS2/ 石墨烯气凝胶协同过硫酸盐或过氧化氢可见光催化快速降解四环素：高效废水处理新突破

抗生素污染危害大，传统处理技术难除四环素（TC）。研究人员将 MoS2/ 石墨烯气凝胶（MGA）光催化与 H2O2或过硫酸盐（PS）高级氧化工艺结合。结果显示 MGA/PS 体系降解效率高，为处理含抗生素废水提供新方案。

　　在环境问题日益严峻的当下，抗生素的广泛使用给生态环境和人类健康带来了巨大威胁。四环素（TC）作为一种常见抗生素，其在水环境中的残留问题尤为突出。传统的废水处理工艺对这类抗生素污染物的去除效果不佳，导致大量含有 TC 的废水排入环境，引发了一系列生态危机，如抗生素耐药基因和病原体的产生，严重影响了生物多样性和生态平衡。为了解决这一棘手难题，来自国内的研究人员开展了一项极具意义的研究。他们致力于探索一种高效的处理方法，以实现对含 TC 废水的有效治理。该研究成果发表在《Environmental Surfaces and Interfaces》上，为废水处理领域带来了新的曙光。

研究人员采用的主要关键技术方法包括：首先，通过水热法制备了 MoS₂/ 石墨烯气凝胶（MGA）复合材料，并对其进行表征确定性能。其次，利用批次实验，在光化学反应器中开展 TC 降解实验，通过测量吸光度确定 TC 浓度变化，采用多种分析方法研究降解动力学、矿化效率等，还用 LC - MS 分析降解中间产物，评估系统在实际废水中的处理效果及降解产物毒性。

研究结果

1. TC 的降解：研究发现，单独使用 H₂O₂、PS、光解或吸附对 TC 的降解效果均不理想。而将光催化与 H₂O₂或 PS - 辅助的高级氧化工艺（AOPs）相结合时，TC 的去除效率显著提高。其中，MGA - 2/PS 体系在 60 分钟内即可实现 TC 的完全去除，MGA - 2/H₂O₂体系在 75 分钟内可去除 96% 的 TC，均优于其他体系。
2. 氧化剂浓度的影响：在 MGA - 2/PS 体系中，PS 浓度从 0.5mM 增加到 2mM 时，TC 能在 60 分钟内完全去除，但增加到 4mM 时，去除率下降。在 MGA - 2/H₂O₂体系中，H₂O₂体积从 0.15mL 增加到 0.6mL 时，降解效率提高，继续增加到 1mL 时，效率降低。这表明合适的氧化剂浓度对提高降解效率至关重要。
3. pH 的影响：在 MGA - 2/PS 体系中，中性 pH 条件下 TC 分解效果最佳，酸性和碱性条件下降解效率显著降低。在 MGA - 2/H₂O₂体系中，pH 从 3 增加到 7 时，TC 降解率上升，继续增加到 11 时，降解率下降。说明 pH 通过影响污染物与催化剂的相互作用以及氧化剂的稳定性，进而影响 TC 的降解。
4. 初始 TC 浓度的影响：在 MGA - 2/PS 和 MGA - 2/H₂O₂体系中，随着初始 TC 浓度的增加，TC 的解离程度下降。这是因为固定的催化剂和氧化剂剂量限制了活性氧物种（ROS）的产生，且高浓度 TC 会产生更多中间产物竞争活性位点。
5. 光催化剂剂量的影响：在两个体系中，TC 的降解率随着催化剂剂量的增加先上升后下降，在 0.5g/L 时达到最佳。过多的催化剂会阻碍光的穿透，减少 ROS 的产生。
6. 无机阴离子的影响：无机阴离子对两个体系中 TC 的降解均有抑制作用。在 MGA - 2/PS 体系中，抑制作用顺序为 NO₃^? < Cl^– < SO₄^2– < HCO₃^–；在 MGA - 2/H₂O₂体系中，顺序为 HCO₃^? > Cl^? > NO₃^? > SO₄^2?。其中，HCO₃^?的抑制作用最强。
7. 清除剂研究：在 MGA - 2/PS 体系中，空穴和¹O₂在 TC 降解中起主要作用，其他自由基也有重要贡献。在 MGA - 2/H₂O₂体系中，^•OH 在 TC 降解中起关键作用。
8. 降解途径：通过 LC - MS 鉴定反应中间产物，提出了 MGA - 2/PS 体系和 MGA - 2/H₂O₂体系中 TC 的降解途径。在 MGA - 2/PS 体系中有三条潜在途径，最终中间产物矿化为二氧化碳（CO₂）、水、铵（NH₄⁺）和硝酸根（NO₃^?）。在 MGA - 2/H₂O₂体系中有两条途径，最终中间产物也矿化为 CO₂、水、NH₄⁺和 NO₃^?。
9. 稳定性和可重复性：MGA - 2 光催化剂在 MGA - 2/PS 和 MGA - 2/H₂O₂体系中重复使用时，虽然降解效率会逐渐下降，但经过三个循环后，TC 去除率仍分别保持在 93% 和 88%，表明该工艺具有一定的长期使用稳定性。
10. 毒性评估：通过刃天青细胞活力测定法评估发现，MGA - 2 在 PS 或 H₂O₂存在下，经可见光照射可将 TC 转化为无害的最终产物。
11. 在实际水基质中的性能：在实际废水（MWW 和 HWW）中，MGA - 2/PS 和 MGA - 2/H₂O₂体系对 TC 的降解效率有所降低，但 MGA - 2/PS 体系仍能达到 89% 和 82% 的去除率，显示出一定的实际应用潜力。

研究结论和讨论

这项研究系统地探讨了 MGA - 2 介导的光催化与 H₂O₂或 PS - 辅助的 AOPs 相结合对 TC 降解的影响。研究结果表明，这种结合显著提高了 TC 的降解效率和转化速率。MGA - 2/PS 体系表现出更高的效率，在 60 分钟内即可完全去除 TC，这一成果在废水处理领域具有重要意义。通过优化各种操作参数，进一步提高了处理效率。在实际废水处理中，虽然受到一些因素的影响，但 MGA - 2/PS 体系仍能实现较高的降解率，为处理含抗生素废水提供了一种可持续且高效的解决方案。这一研究成果不仅有助于推动废水处理技术的进步，还为设计大规模、高效的废水处理系统提供了重要参考，有望在实际应用中发挥重要作用，有效解决水环境中抗生素污染的难题，保护生态环境和人类健康。