等离子体活化过硫酸盐体系降解有机污染物的机理解析与性能评估

针对传统高级氧化工艺(AOPs)能耗高、二次污染风险大等问题，中国研究人员创新性采用等离子体活化过硫酸盐(PMS/PDS)技术，系统探究了其对甲基橙、罗丹明B等有机污染物的降解机制。研究发现等离子体放电参数与PS分子结构差异共同决定自由基(•SO4 ? /•OH)生成路径，在催化剂-free条件下实现94.5%的污染物去除率，为工业废水处理提供绿色解决方案。

　　

随着工业废水排放加剧，持久性有机污染物(POPs)对水生态和人类健康构成严峻威胁。世界卫生组织数据显示，发展中国家80%以上疾病与水源污染相关，其中抗生素耐药基因的扩散更使问题复杂化。传统高级氧化工艺(AOPs)如芬顿反应、光催化等存在能耗高、金属催化剂残留等瓶颈，而过硫酸盐(PS)活化产生的硫酸根自由基(•SO₄
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)虽具有2.5-3.1 V的高氧化电位，但热活化或过渡金属催化仍面临二次污染风险。在此背景下，等离子体活化技术因其能同步产生•OH、O₃
、¹
O₂
等多种活性氧物种(ROS)，成为PS活化的理想选择。

中国联合等离子体应用技术实验室的研究团队在《Environmental Research》发表论文，通过对比等离子体活化过一硫酸盐(PMS)和过二硫酸盐(PDS)的降解性能，揭示了分子结构不对称性(O-O键长1.453 ? vs 1.497 ?)对自由基生成路径的影响。研究采用介质阻挡放电(DBD)反应器，在调控电压(8-14 kV)、pH(3-11)、共存离子(Cl^?
/HCO₃
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)等条件下，系统评估了甲基橙等染料的降解动力学。关键技术包括：1) 双等离子体模式(氩气/空气)消除pH干扰；2) 电子顺磁共振(EPR)检测自由基信号；3) 液相色谱-质谱(LC-MS)解析中间产物；4) 发光细菌毒性测试评估生态风险。

材料与方法
实验使用同轴DBD反应器，通过改变放电气体(Ar/O₂
)控制ROS组成，采用淬灭实验和EPR验证•SO₄
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的主导作用。

放电条件对降解效率的影响
14 kV电压下PMS对甲基橙的去除率达94.5%，比PDS高18.7%。空气等离子体产生的•O₂
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可促进PMS不对称结构的电子转移，而Ar等离子体更利于PDS均裂生成•SO₄
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。

pH与共存离子的影响
酸性条件(pH=3)下PMS降解速率常数(k=0.28 min^?1
)是中性条件的2.1倍，而PDS受pH影响较小。HCO₃
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会捕获•SO₄
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生成活性较低的CO₃
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，使降解效率降低23.4%。

环境水基质测试
实际染料废水中PMS体系仍保持82.3%的去除率，且处理后溶液生物毒性下降76.8%，显著优于传统芬顿工艺。

该研究首次阐明等离子体场中PMS/PDS的差异化活化机制：PMS通过氢键介导的非均相活化主导污染物氧化，PDS则依赖高能电子直接裂解。这种催化剂-free策略不仅解决了金属溶出问题，其模块化DBD设计更便于工业放大。未来通过优化放电参数与PS投加量的协同效应，可进一步降低处理成本，为《水污染防治行动计划》提供技术支撑。