砂载氧化铁光催化剂在污水处理厂出水中太阳能光芬顿降解抗生素的应用研究

本研究针对污水处理厂出水中抗生素污染问题，开发了砂载氧化铁(IOSS)催化剂，通过太阳能光芬顿工艺高效降解磺胺甲恶唑(SMX)和甲氧苄啶(TMP)。实验证实该催化剂在pH 3.0条件下180分钟内实现完全降解，且在pH 7.0的超纯水中仍保持90%以上降解率，经5次循环使用仍稳定高效，为自然光照条件下的污水处理提供了创新解决方案。

　　

抗生素污染已成为全球水环境治理的严峻挑战。随着医疗和养殖业的快速发展，磺胺甲恶唑(SMX)和甲氧苄啶(TMP)等抗生素在污水处理厂(WWTP)出水中频繁检出，不仅导致细菌耐药性基因扩散，更被欧盟列入重点监控物质清单。传统处理方法难以有效去除这类持久性污染物，而高级氧化技术中的光芬顿(photo-Fenton)工艺虽具潜力，却面临催化剂回收困难、酸性环境依赖性强等瓶颈。

针对这一难题，巴西科研团队在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表创新研究，开发出砂载氧化铁(IOSS)催化剂系统。通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)等技术证实催化剂成功负载α-Fe₂O₃（赤铁矿），在0.5 g L^-1催化剂用量、10 mmol L^-1 H₂O₂、pH 3.0条件下，180分钟内实现SMX和TMP完全降解（检测限以下）。更突破性的是，该系统在pH 7.0的中性环境中仍保持90%以上降解效率，且经5次循环使用后性能稳定，在真实污水处理厂出水基质中同样表现优异。

关键技术方法包括：1) 采用浸渍-煅烧法制备IOSS催化剂；2) X射线光电子能谱(XPS)分析表面元素组成；3) 模拟太阳光反应系统评估降解动力学；4) 液相色谱-质谱(LC-MS)检测抗生素残留；5) 电子顺磁共振(EPR)鉴定活性氧物种。

【IOSS表征】
X射线荧光光谱(XRF)显示催化剂铁含量显著提升，XRD证实α-Fe₂O₃晶相形成，SEM观测到均匀分布的纳米级铁氧化物颗粒，比表面积达42.5 m² g^-1。

【降解性能】
在pH 3.0的WWTP出水中，SMX和TMP降解率分别达90%和100%。中性条件下超纯水中的降解实验显示，羟基自由基(·OH)是主要活性物种，而超氧自由基(O₂^-·)在较高pH条件下贡献增大。

【稳定性测试】
5次循环使用后铁溶出量<0.5 mg L^-1，催化活性保持初始值的92%，表面铁化学状态经XPS验证未发生明显变化。

该研究突破传统光芬顿技术对强酸性环境的依赖，证实自然光照条件下处理真实废水的可行性。IOSS催化剂兼具低成本（天然砂为载体）、易回收（磁性分离）、环境友好等优势，为污水处理厂深度处理抗生素提供工业化应用前景。特别值得注意的是，该系统对含复杂有机物的实际废水仍保持高效降解，且避免二次污染风险，标志着高级氧化技术向工程化应用迈出关键一步。研究获得巴西CAPES、CNPq等机构资助，相关技术已申请专利保护。