镍铝层状双氢氧化物活化过一硫酸盐降解四环素的机理研究及超滤系统集成可行性分析

本研究针对过渡金属催化剂在硫酸根自由基高级氧化工艺（SR-AOPs）中资源稀缺和毒性问题，开发了高效低成本的NiAl-LDH催化剂，通过活化过一硫酸盐（PMS）实现四环素（TC）高效降解。研究发现Ni2+/Ni3+氧化还原循环生成·OH并转化为1O2，结合超滤系统实现2680 LMH高通量处理，为实际废水处理提供新策略。

　　

抗生素污染已成为全球水环境治理的严峻挑战。以四环素（TC）为代表的抗生素在韩国汉江中浓度高达2093 ng/L，其持久性和生物活性可能诱发耐药菌扩散。传统过渡金属催化剂如钴（Co）虽能有效活化过一硫酸盐（PMS），但面临资源稀缺和毒性限制。镍（Ni）因其丰富储量和低毒性成为潜在替代品，但Ni³⁺还原能垒高（1.74 V）制约其催化效率。韩国国家研究基金会支持的研究团队通过构建镍铝层状双氢氧化物（NiAl-LDH），突破单金属催化局限，为SR-AOPs提供新解决方案。

研究采用共沉淀法合成CO₃^2-型NiAl-LDH，通过XRD、BET等技术表征材料特性，结合DFT计算分析电子传导性能。通过淬灭实验、ESR检测阐明活性氧物种（ROSs）生成路径，并构建超滤集成系统评估实际应用效果。

Characterizations of NiAl-LDH and Ni(OH)₂
XRD显示NiAl-LDH在2θ=11.6°-61.5°出现典型层状结构衍射峰，平均粒径约100 nm。相比Ni(OH)₂，其比表面积虽降低23.5 m²/g，但DFT证实Al³⁺掺杂增强电子传导性，PMS吸附能降低1.8 eV。

TC降解机制
在pH=7、0.2 g/L催化剂条件下，30分钟内实现95.6% TC去除。淬灭实验表明·OH通过Ni²⁺/Ni³⁺循环生成，并经由O₂^-·中间体转化为¹O₂。阴离子影响显示CO₃^2-和PO₄^3-抑制效应显著，而Cl^-影响微弱。

超滤系统验证
集成系统对500 mg/L TC的去除率达91.3%，通量维持2680 LMH。实际废水处理中因有机物干扰，通量降至1990 LMH，但TC去除率仍达85.1%。

该研究通过多金属协同效应解决单镍催化剂电子传递瓶颈，证实LDH结构可促进PMS活化能降低。超滤耦合技术为高浓度抗生素废水处理提供工程化方案，其阐明的¹O₂生成路径为选择性氧化污染物提供新思路。研究成果发表于《Environmental Research》，为绿色催化剂设计和废水处理工艺优化提供重要参考。