铜锰共掺杂橙皮生物炭活化过一硫酸盐高效降解四环素的机制研究

针对抗生素污染治理难题，武汉纺织大学团队开发了铜锰共掺杂橙皮生物炭（CuMn@OPC）催化剂，通过活化过一硫酸盐（PMS）实现四环素（TC）高效降解（91.26%）。该材料在pH 2.98-10.9范围内表现稳定，证实•OH、SO4 •? 和1 O2 为主要活性氧物种，Cu0 /Cu+ /Cu2+ 与Mn2+ /Mn3+ 的循环转化是降解关键机制，为碳基催化剂设计提供新思路。

　　

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抗生素污染已成为全球环境治理的"顽疾"。四环素（TC）作为用量最大的抗生素之一，因其苯环结构的顽固性，在传统污水处理中难以彻底去除，甚至在水体中检测到ng/L至μg/L的残留浓度。这种"微量但高危"的特性，使其对生态环境和人类健康构成持续威胁。面对这一挑战，武汉纺织大学的研究团队独辟蹊径，将目光投向厨余垃圾——橙皮，通过创新设计铜锰共掺杂生物炭（CuMn@OPC）催化剂，在过一硫酸盐（PMS）活化领域取得突破性进展，相关成果发表于《Journal of Environmental Chemical Engineering》。

研究采用浸渍-碳化法制备催化剂，通过SEM（扫描电镜）、FTIR（傅里叶变换红外光谱）、XRD（X射线衍射）和XPS（X射线光电子能谱）进行表征，结合自由基捕获实验和液相色谱-质谱（LC-MS）分析降解路径。

材料表征揭示协同效应
XRD图谱显示CuMn@OPC中同时存在CuMnO₂
和Cu₂
Mn₃
O₈
晶相，高温氮气环境下Cu²⁺
被还原为Cu⁰
。XPS证实Cu/Mn双金属的电子转移能力增强，FTIR检测到丰富的含氧官能团，这些特性共同提升了PMS活化效率。

降解性能与机制
在[TC]=20 mg/L、[催化剂]=0.1 g/L、[PMS]=0.2 mM条件下，30分钟内TC去除率达91.26%。宽pH适应性（2.98-10.9）使其具备实际应用潜力。自由基鉴定实验证实•OH、SO₄
^•?
和¹
O₂
共同作用，其中Cu/Mn价态循环（Cu⁰
/Cu⁺
/Cu²⁺
与Mn²⁺
/Mn³⁺
）是持续产生活性氧的关键。

降解路径与生态安全
LC-MS鉴定出3条TC降解路径，包括羟基化、脱甲基和开环反应，最终产物为无毒小分子。生态毒性评估显示降解产物对环境无害，解决了传统处理技术可能产生二次污染的问题。

这项研究开创性地将农业废弃物转化为高效环境修复材料，双金属协同效应使催化效率较单金属提升30%以上。其重要意义在于：1）为抗生素污染治理提供经济高效的解决方案；2）拓展了生物炭在高级氧化工艺（AOPs）中的应用边界；3）建立的"废弃物-催化剂-污染物"技术链条，兼具环境效益与经济效益。正如通讯作者Qiang Li指出，该技术每吨处理成本可比传统方法降低40%，为水处理行业提供了可规模化的技术范式。