UV活化过碳酸钠高效降解水中紫外线过滤器苯并咪唑磺酸及其机制研究

针对紫外线过滤器苯并咪唑磺酸（PBSA）在水环境中难降解且具有生态毒性的问题，研究人员通过UV活化过碳酸钠（UV/SPC）技术，实现了PBSA在15分钟内的完全降解。研究发现该过程涉及•OH、CO3•–、O2•–和1O2等多种活性物种的协同作用，并解析了其降解路径与低毒性特征。该研究为水环境中难降解有机污染物的绿色处理提供了新策略。

　　

随着防晒产品的广泛使用，紫外线过滤器（UV filters）在水环境中的残留问题日益严峻。其中，苯并咪唑磺酸（Phenylbenzimidazole sulfonic acid, PBSA）因其高水溶性和化学稳定性，难以通过传统污水处理工艺有效去除，且在光照下可能生成活性氧物种（ROS）导致DNA损伤，对水生生物（如贻贝）具有亚致死毒性。尽管以羟基自由基（•OH）为核心的高级氧化工艺（AOPs）如UV/H₂O₂被用于降解此类污染物，但液态H₂O₂存在储存安全隐患。为此，研究人员探索了以固态过碳酸钠（Sodium percarbonate, SPC）为氧化剂的UV/SPC技术，旨在开发一种高效、安全且经济的PBSA降解方法。

研究团队通过UV/SPC系统处理PBSA，结合高效液相色谱（HPLC）、电子顺磁共振（EPR）和超高效液相色谱-四极杆飞行时间质谱（UHPLC-QTOF-MS）等技术，分析了降解动力学、活性物种贡献及转化路径。实验采用254 nm低压汞灯作为UV光源，通过添加叔丁醇（TBA）、苯酚（PhOH）等淬灭剂区分不同活性物种的作用，并利用ECOSAR模型评估产物毒性。

3.1 PBSA在UV/SPC系统中的降解
UV/SPC系统在15分钟内完全降解10 mg/L PBSA，速率常数（k_obs）达0.336 min^–1，显著优于UV/H₂O₂系统（k_obs=0.017 min^–1）。能效分析显示，UV/SPC的EE/O值（45.7 kW·h·m^–3）较UV/H₂O₂降低95%，证实其经济性优势。

3.2 活性物种的作用机制
淬灭实验与EPR分析表明，•OH、CO₃•^–、O₂•^–和¹O₂共同参与降解。其中，CO₃•^–因与PBSA的芳香环和磺酰基高效反应成为主导物种（贡献率92.8%），而•OH仅在pH=7时贡献7%。EPR谱图中，DMPO–•OH和DMPO–OCOO•^–加合物的信号在酸性条件下最强，TEMP–¹O₂信号则在中碱性条件下显著。

3.3 PBSA降解路径与毒性评估
鉴定出12种中间产物，主要路径包括：（1）苯环羟基化生成TP1-TP3；（2）咪唑啉环裂解形成TP5；（3）脱磺酸化产生TP6；（4）苯环断裂生成小分子产物（TP7-TP12）。TOC去除率仅12%，但Microtox?毒性测试显示处理后毒性未显著升高，ECOSAR预测部分产物（如TP7-TP9）毒性高于PBSA，但因浓度较低未引发急性毒性。

3.4 环境因素影响
PBSA降解速率随pH升高（4→10）而降低（k_obs从0.377降至0.213 min^–1），因碱性条件下OH^–淬灭•OH。HCO₃^–（8 mM）和DOM（10 mg/L）分别通过生成低活性CO₃•^–和淬灭自由基抑制降解。在实际水体（地下水、河水、污水厂出水）中，PBSA仍能在50分钟内完全去除，证实UV/SPC的工程应用潜力。

该研究首次系统阐明了UV/SPC降解PBSA的多自由基协同机制，揭示了CO₃•^–的关键作用，并证明该技术兼具高效性与环境友好性。相比传统UV/H₂O₂，UV/SPC在安全性、成本及适应性方面更具优势，为水环境中难降解有机污染物的治理提供了新思路。未来需进一步优化参数以应对复杂水质干扰，并开展长期生态风险评估。论文发表于《Environmental Technology》，为相关领域研究提供了重要理论依据和技术参考。