基于纳米限域效应的流通式类芬顿反应器强化再生水中新兴污染物降解研究

为解决再生水中新兴污染物(ECs)传统处理技术存在的干扰抵抗性差、铁泥污染及催化位点失活等问题，研究人员设计了一种基于纳米限域材料ZIF-FeOx @MoS2 的流通式类芬顿反应系统。该系统通过纳米限域效应抑制铁离子浸出，结合MoS2 辅助催化促进Fe氧化还原循环，实现磺胺甲恶唑(SMX)降解效率5次循环后仍保持95%以上，总有机碳(TOC)残留率降至25%。该研究为再生水高级氧化技术规模化应用提供了创新解决方案。

　　

全球水资源短缺问题日益严峻，再生水回用成为解决这一挑战的重要途径。然而，随着工业化和城市化进程加速，传统二级出水处理技术已无法满足高质量再生水的安全需求——尤其是对水中种类繁多、毒性高且浓度低的新兴污染物(ECs)的去除。这些污染物在复杂水质背景（高盐度、重金属、天然有机物等）下难以通过常规生物处理有效降解，可能通过食物链等途径威胁公共健康。过一硫酸盐激活的高级氧化工艺(PMS-AOPs)虽具有强氧化能力，但实际应用中仍面临催化效率低、铁泥污染、反应器传质受限等瓶颈问题。

针对这些挑战，河海大学环境学院的研究团队创新性地开发了一种基于纳米限域材料的流通式类芬顿反应系统。通过将FeO_x
限域在沸石咪唑酯骨架(ZIF)孔隙中，并在材料表面负载三维MoS₂
纳米片作为辅助催化位点，成功构建了ZIF-FeO_x
@MoS₂
(ZFM)催化剂。实验表明，该系统在黑暗条件下主要产生硫酸根自由基(•SO₄
^?
)和羟基自由基(•OH)，光照条件下则生成单线态氧(¹
O₂
)，通过双重自由基调控机制实现对ECs的高效降解。相关研究成果发表于《Journal of Cleaner Production》，为再生水处理提供了兼具高效性和实用性的技术方案。

关键技术方法包括：1）采用快速等温反应合成ZIF纳米多孔框架，通过离子交换将FeO_x
限域在孔隙中；2）通过水热法在材料表面生长MoS₂
纳米片；3）构建流通式反应器增强传质效率；4）结合密度泛函理论(DFT)计算分析材料能级结构；5）以铜绿微囊藻为模型生物评估细胞毒性变化。

The Fenton-like reactors structure and SMX degradation efficiency
研究团队通过扫描电镜(SEM)表征证实ZFM膜具有均匀的纳米孔道结构。在模拟实际废水的实验中，该系统对磺胺甲恶唑(SMX)的降解效率达到95%以上，是非限域材料的2.9倍。流通式设计使传质系数提升1.6倍，催化效率提高5.2倍，且经过5次循环后仍保持稳定活性。

Conclusion
研究证实纳米限域结构可显著减少铁离子泄漏（从7.2%降至1.8%），而MoS₂
的引入使Fe³⁺
/Fe²⁺
循环速率提升3.4倍。DFT计算显示催化剂能级结构调整使电荷迁移率提高2.3倍。毒性测试表明处理后废水对铜绿微囊藻的细胞膜损伤率降低82%。

该研究的创新性体现在：1）首创"纳米限域+流通式反应器"协同强化体系；2）阐明光/暗条件下自由基转化机制；3）实现催化剂寿命从传统材料的<10次提升至>50次循环。这项技术不仅解决了PMS-AOPs在实际废水处理中的工程化难题，其自由基调控策略更为复杂水质中ECs的靶向降解提供了理论指导，对推动再生水回用标准升级具有重要意义。