水驱动压电催化微珠：基于废轮胎衍生碳纳米材料的废水高效净化技术

针对有机染料和抗生素废水处理中催化剂回收难、二次污染等问题，研究人员通过非溶剂诱导相分离法（NIPS）将废轮胎热解获得的2D碳纳米颗粒（0-2 wt%）与PVDF复合，开发出PVA/GA涂层压电催化微珠。该材料β相含量达93.93%，在流体驱动下实现左氧氟沙星（LVX）97.48%的30分钟降解效率，未涂层微珠对甲基橙（MO）、亚甲基蓝（MB）和罗丹明B（RhB）的去除率分别达71.35%、93.46%和98.56%，为绿色废水处理提供可持续解决方案。

　　

随着全球水污染问题日益严峻，工业废水中的有机染料和抗生素残留已成为威胁生态系统和人类健康的"隐形杀手"。传统处理方法如电化学氧化、臭氧氧化等不仅成本高昂，还可能产生二次污染。压电催化技术虽能利用环境机械能（如水流、波浪）通过压电效应产生活性氧物种(ROS)降解污染物，但粉末状催化剂存在的回收困难、易团聚等问题长期制约其实际应用。更棘手的是，每年全球产生的15亿条废轮胎形成的"黑色污染"，亟需绿色转化途径。

针对这些挑战，Mohammed VI Polytechnic University的研究团队创新性地将废轮胎热解获得的碳黑（CB_P）经1000°C KOH活化转化为二维碳纳米颗粒，通过非溶剂诱导相分离(NIPS)技术将其与聚偏氟乙烯(PVDF)复合，制备出具有核壳结构的智能压电催化微珠。该研究通过调控纳米颗粒负载量(0-2 wt%)和表面PVA/GA涂层处理，成功开发出能针对性处理不同污染物的催化系统，相关成果发表在《Journal of Water Process Engineering》。

研究采用原子力显微镜(AFM)表征碳纳米颗粒形貌，通过傅里叶变换红外光谱(FT-IR)和X射线衍射(XRD)分析材料晶相结构，结合差示扫描量热法(DSC)和热重分析(TGA)评估热性能。压电响应通过降解实验验证，使用紫外-可见分光光度计定量污染物去除率。

【材料与尺寸分布】AFM显示活化碳黑(A-CBp)呈团聚态圆形颗粒，表面存在显著凸起。微珠直径控制在3-5 mm范围，涂层使表面粗糙度降低58%，这为后续压电性能优化奠定基础。

【结晶与相转变】FT-IR和XRD证实碳纳米颗粒促进PVDF自组装为β相，最高含量达93.93%。796 cm^-1处特征峰显示碳材料与PVDF的-CH₂/-CF₂基团产生静电相互作用，这是获得高压电响应的关键。

【机械与热性能】含2 wt%碳颗粒的微珠拉伸强度提升217%，断裂伸长率增加184%。TGA显示800°C残炭量达38.7%，DSC测得熔融焓从38.2 J/g增至45.6 J/g，表明材料具有优异的工程适用性。

【压电催化性能】在流速15 mL/min条件下，涂层微珠对左氧氟沙星(LVX)的30分钟降解率达97.48%，未涂层微珠对RhB的去除效率高达98.56%。淬灭实验证实•O₂^-是主要活性物种，其产生量与β相含量呈正相关。

该研究实现了"以废治废"的循环经济理念：将废轮胎转化为高效压电催化剂，同时解决环境污染和能源消耗双重问题。微珠设计突破传统粉末催化剂的局限性，其可回收性经10次循环后仍保持92%效率。特别值得注意的是，通过简单调整表面涂层即可实现污染物选择性降解，这种"一材多用"策略为复杂废水体系处理提供新思路。从工程应用角度看，微珠形式完美适配现有流动床反应器，其机械强度足以承受实际水处理中的水力冲击，展现出显著的商业化潜力。这项技术不仅为PVDF基压电材料开发提供新范式，更推动废水处理向"零碳排、零二次污染"目标迈进。