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为解决环丙沙星（CIP）等氟喹诺酮类抗生素污染问题，研究人员对比 Fe2?/H?O?/BiVO?/Vis 与 Fe2?/H?O?/AC 体系降解 CIP 的效果。发现前者 30min 去除率达 99.8%，后者达 99%，且副产物毒性低，为废水处理提供新途径。
抗生素的大量使用给环境带来了严峻挑战，氟喹诺酮类抗生素（FQs）便是其中典型代表。这类抗生素年生产量高达 10 万至 20 万吨，然而仅有约 25% 能发挥治疗作用，大部分以未代谢或转化副产物形式进入生态系统，造成广泛污染，威胁生态和公众健康。环丙沙星（CIP）作为第二代氟喹诺酮类抗生素，临床应用广泛，但其代谢转化有限且难生物降解，约 95% 以原型随排泄物进入废水系统，其稳定双环结构难以被常规处理工艺降解，导致在水生环境中积累，浓度范围跨度极大，从天然水体中的痕量到制药废水和医院废水中的危险浓度均有分布。传统废水处理方法，如水解、光解、氧化还原反应、化学和电凝聚、絮凝等，存在能耗高、产泥量大、去除效率低、成本高昂等诸多局限；生物处理过程反应周期长、污泥处置成本高且能耗大；氧化过程则需大量化学投入。此外，由于抗生素水溶性高且具抗降解性，传统方法对其降解效果有限，因此亟需开发更经济、环保的处理技术。
在此背景下，国内研究人员针对环丙沙星污染问题开展了相关研究，旨在探索高效的废水处理方法，该研究成果发表在《Environmental Chemistry and Ecotoxicology》。
研究人员主要采用了以下关键技术方法：通过高效液相色谱（HPLC）检测环丙沙星浓度；利用扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X 射线粉末衍射（XRD）、X 射线光电子能谱（XPS）等对材料进行表征；运用自由基淬灭和电子顺磁共振（EPR）实验鉴定反应中的活性自由基；借助液相色谱高分辨质谱（LC-HRMS）识别降解副产物；采用量子化学计算（如高斯 09W 软件）分析环丙沙星分子 reactivity；通过生态风险评估软件（ECOSAR）预测降解产物的生态毒性；还进行了吸附等温线和动力学研究，运用了弗伦德里希（Freundlich）和朗缪尔（Langmuir）等温线模型以及伪一阶、伪二阶动力学模型。
材料组成与表征
通过扫描电子显微镜观察，BiVO?呈种子状，由 80-100nm 的纳米颗粒和 2-10μm 的小颗粒聚集体均匀分布而成；Fe@AC 中 Fe 和 C 分布相似，表明 Fe 成功嵌入活性炭基质，其元素组成为 87.7% 碳、9.3% 氧、2.0% 铁和 1.1% 硫。傅里叶变换红外光谱显示，BiVO?在 700-900cm?1 范围的振动归因于 VO?3?四面体中的 V-O 键，Fe@AC 在 3452cm?1 处的 - OH 伸缩振动表明存在羟基或水分子，570cm?1 处的峰证实有铁氧化物。X 射线粉末衍射表明 BiVO?为单斜晶相，Fe@AC 存在赤铁矿（α-Fe?O?）和磁铁矿（Fe?O?）相。X 射线光电子能谱分析显示，BiVO?中 Bi 为 Bi3?，V 为 V??，Fe@AC 中存在 Fe2?和 Fe3?。
降解效能影响因素
- H?O?浓度：在 Fe2?/H?O?/BiVO?/Vis 体系中，H?O?浓度从 25mol/L 增至 200mol/L 时，CIP 降解效率从 92.9% 升至 99.7%，但超过 50mol/L 后效率趋于稳定，可能因过量 H?O?与?OH 反应生成活性较低的 HO??；Fe2?/H?O?/AC 体系在 25mol/L 低浓度 H?O?时仍能保持 98.6% 的高降解效率，得益于活性炭的高表面积和吸附性能。
- pH 值：两体系均在酸性 pH（2-6）下表现最佳。Fe2?/H?O?/AC 体系的 pH 耐受性更宽，因活性炭的吸附机制（如疏水相互作用）和表面羧基对 Fe2?的稳定作用；BiVO?体系在 pH3.0 时效率最高，与其较低的零电荷点（pHpzc≈2.8）有关，酸性条件下表面正电荷利于稳定 Fe2?配位，促进 H?O?活化和自由基生成。
- 催化剂用量：Fe2?/H?O?/BiVO?/Vis 体系在 0.5g/L 催化剂用量时达最大降解效率，更高用量因溶液浊度增加阻碍光穿透，导致效率下降；Fe2?/H?O?/AC 体系随催化剂用量从 0.05g/L 增至 1.0g/L，降解效率从 37% 升至 99.3%，因更高用量提供更多催化位点，促进吸附和反应。
- 不同体系去除效果：Fe2?/H?O?/BiVO?/Vis 体系 30min 内去除率达 99.8%，性能最优，得益于 BiVO?的可见光催化活性与 H?O?、Fe2?的高级氧化协同作用；Fe2?/H?O?/AC 体系去除率 99%，通过吸附和类芬顿反应双重机制；其他单一体系效率较低，凸显多催化方法结合的重要性。
降解机制
- 活性自由基：Fe2?/H?O?/BiVO?/Vis 体系中，超氧阴离子（?O??）和光生空穴（h?）起主要作用，其中 h?的作用更显著；Fe2?/H?O?/AC 体系则以羟基自由基（?OH）和单线态氧（1O?）为主。
- 降解路径：通过量子化学计算和液相色谱高分辨质谱分析，环丙沙星的降解主要通过脱羧和哌嗪环开环反应进行，分子中电子密度较高的区域，如 N6、C12 等位点易受自由基攻击，导致分子结构分解。
生态毒性与经济评估
生态毒性评估显示，环丙沙星及其降解产物对鱼类、绿藻和水蚤有不同程度毒性，但大部分降解产物（如 P2、P3、P4）的毒性低于母体化合物，表明降解过程降低了生态风险。电耗评估（EEO）显示，Fe2?/H?O?/BiVO?/Vis 体系 30min 时的 EEO 为 210kWh?m?3，处于高级氧化工艺的合理范围内，具有一定能源效率。
吸附特性
吸附等温线研究表明，朗缪尔模型（R2=0.97）比弗伦德里希模型（R2=0.96）更适合描述吸附过程，表明单层吸附起主要作用，最大吸附容量为 83.9mg/g。吸附动力学符合伪二阶动力学模型（R2=0.93），化学吸附可能是速率控制步骤，Fe2?/H?O?/AC 体系的吸附性能优于未改性活性炭。
结论与意义
本研究对比了 Fe2?/H?O?/BiVO?/Vis 和 Fe2?/H?O?/AC 两种体系降解环丙沙星的性能、机制及生态影响。结果表明，两者均能高效降解环丙沙星，分别通过光催化 - 高级氧化协同和吸附 - 类芬顿反应机制发挥作用，且具有良好的稳定性和重复使用性（五次循环后效率均超 90%）。降解副产物生态毒性较低，电耗处于可接受范围。该研究为废水中氟喹诺酮类抗生素的处理提供了两种有效且可持续的技术方案，有助于解决抗生素污染带来的环境和健康问题，为实际废水处理应用奠定了基础。未来研究可进一步探索其在复杂实际废水环境中的性能、开发固定化催化剂以方便回收利用、开展生命周期和技术经济分析以评估大规模应用可行性，以及对催化剂进行改性以拓展有效 pH 范围和降低能耗。
