冷大气等离子体/可见光/N-TiO2 协同处理废水：实验与计算模拟揭示高效降解机制

为解决工业废水中难降解有机污染物的处理难题，研究人员创新性地将冷大气等离子体（CAP）与可见光催化（N-TiO2 ）技术结合，开发了CAPVP协同系统。实验表明，该系统在20分钟内可实现95%的抗生素（cefixime）降解，并通过人工神经网络（ANN）模型优化参数，揭示了催化剂用量和放电电压的关键作用。该研究为高难度废水处理提供了高效、低成本的解决方案，具有显著的工程应用价值。

　　

随着工业废水中有机污染物（如抗生素、持久性化学物质）的复杂性日益增加，传统处理方法面临效率低、能耗高、二次污染等挑战。尤其像cefixime这类药物污染物，其化学稳定性强，对水生生态系统和人类健康构成长期威胁。高级氧化工艺（AOPs）虽能通过产生强氧化性自由基（如^•
OH）降解污染物，但单一技术往往存在局限性。例如，光催化依赖半导体材料（如TiO₂
）的紫外光响应，而等离子体技术虽能直接产生活性物种，但能耗较高。如何通过技术协同提升效率并降低成本，成为环境工程领域的关键问题。

针对这一挑战，研究人员开展了冷大气等离子体/可见光/N-TiO₂
（CAPVP）协同处理废水的系统性研究。通过实验与计算模拟结合，首次验证了该技术对合成废水（cefixime）和实际工业废水的高效降解能力。研究论文发表在《Water Resources and Industry》，为复杂废水处理提供了新思路。

关键技术方法包括：1）氮掺杂TiO₂
（N-TiO₂
）催化剂的合成与表征（XRD、SEM、XPS）；2）CAPVP反应器设计与参数优化（放电电压、电极距离、气体流量）；3）人工神经网络（ANN）建模分析变量影响；4）气相色谱-质谱（GC-MS）鉴定降解中间产物；5）化学需氧量（COD）测定评估实际废水处理效果。

3.1 N-TiO₂
表征
通过X射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）证实氮掺杂未改变TiO₂
的晶型结构，但紫外-可见漫反射光谱（DRS）显示其带隙从3.2 eV降至2.9 eV，显著提升可见光响应能力。X射线光电子能谱（XPS）在398 eV处检测到Ti-O-N键信号，证实氮的成功掺杂。

3.2 不同工艺效率对比
CAPVP在20分钟内对cefixime的降解率（95%）显著高于单一光催化（57.1%）或等离子体处理（86.5%），协同系数达3.06。GC-MS分析鉴定出硫代氨基脲等5种中间产物，证明污染物被逐步矿化。

3.3 关键变量影响
ANN模型显示催化剂用量（23%）和放电电压（19%）为最敏感参数。当N-TiO₂
剂量达1 g L^?1
、电压35 kV时，降解效率最优。空气作为进气源优于纯氮或氧，因其能协同生成更多^•
OH。

3.9 实际废水处理
CAPVP处理伊朗Eshtehard工业区废水（COD=1960 mg L^?1
）240分钟后，COD去除率达95%，且催化剂重复使用4次后活性未显著下降，凸显其工程适用性。

研究结论表明，CAPVP通过等离子体产生的活性物种（如O₂
^•?
、O₃
）与光催化生成的^•
OH协同作用，实现了污染物的高效降解。该技术不仅为抗生素废水处理提供了新方案，其ANN驱动的参数优化方法还可推广至其他难降解污染物体系。未来研究可进一步探索CAPVP在规模化应用中的能耗与经济性平衡，以及针对不同污染物组合的适应性调控策略。