CeO2负载PVDF仿生神经网络膜构建气-液-固三相界面催化臭氧氧化高效降解抗生素

为解决抗生素废水处理中臭氧传质效率低、催化剂回收困难等问题，研究人员开发了一种CeO2负载PVDF仿生神经网络膜（CeO2@PVDF-NWF），通过构建气-液-固三相界面显著提升臭氧利用率和SMZ降解效率。实验表明，该膜体系反应速率较悬浮系统提高81%-87%，臭氧反应因子和?OH产率分别提升118%和64%，为水处理领域提供了高效稳定的新型催化技术。

　　

抗生素污染已成为全球水环境治理的严峻挑战。随着医疗和农业领域抗生素用量激增，磺胺甲恶唑（SMZ）等难降解有机物在水体中持续累积，不仅诱发微生物耐药基因传播，传统处理方法如吸附法、生物降解和膜过滤也存在效率低、二次污染或能耗高等缺陷。尽管高级氧化工艺（AOPs）中的催化臭氧氧化技术因无二次污染、操作简便等优势备受关注，但臭氧从气相到催化剂表面的低效传质仍是制约其应用的关键瓶颈。

针对这一难题，国内研究人员创新性地将仿生学理念引入环境催化领域，通过将立方体（CeO₂-C）和棒状（CeO₂-R）纳米CeO₂与聚偏氟乙烯（PVDF）复合，在疏水性非织造布（NWF）基底上构建了具有神经网络状多孔结构的催化膜。该设计巧妙模拟了生物神经网络的传导机制，利用PVDF的化学惰性和NWF的机械稳定性，形成稳定的气-液-固三相反应界面。研究团队通过对比实验证实，这种仿生结构可将臭氧传质效率提升至传统悬浮系统的1.8倍以上，相关成果发表在《Journal of Environmental Chemical Engineering》。

关键技术包括：1）水热法制备形貌可控的CeO₂纳米棒/颗粒；2）相转化法将催化剂负载于PVDF-NWF基底；3）电子显微镜（TEM/SEM）表征材料形貌；4）以对氯苯甲酸（pCBA）为探针测定羟基自由基产率；5）动力学分析比较不同体系SMZ降解效率。

催化剂表征部分显示，CeO₂-R纳米棒暴露更多活性晶面（110），其氧空位浓度较立方体CeO₂-C提高37.5%。SEM图像证实PVDF在NWF表面形成均匀覆盖层，而CeO₂的引入使膜孔径从微米级缩减至纳米级，产生显著的纳米限域效应。

催化性能实验表明，15%CeO₂-R@PVDF-NWF膜对SMZ的降解速率常数达0.304 min^-1，较悬浮系统提升87%。臭氧反应因子（η）和?OH暴露量分别达到3.18×10^-2和1.97×10^-10 M·s，证实三相界面有效促进了臭氧向活性氧物种的转化。

机理分析揭示，神经网络状孔道结构通过以下途径增强催化效率：1）增大气-液接触面积；2）缩短臭氧扩散路径；3）CeO₂晶格氧与PVDF氟原子的协同作用稳定了反应中间体。特别值得注意的是，CeO₂-R的棒状形貌使其表面Ce³⁺/Ce⁴⁺循环速率比立方体颗粒快1.3倍。

该研究突破了传统催化臭氧氧化技术的传质限制，提出的"材料-结构-功能"一体化设计策略，为开发高效水处理膜材料提供了新思路。膜催化体系的稳定性测试显示，经过10次循环后SMZ去除率仍保持初始值的92%，且Ce溶出浓度低于0.08 mg/L，显著优于同类研究数据。这些发现不仅对抗生素废水治理具有直接应用价值，其仿生多孔结构设计理念还可拓展至其他气-液-固多相催化领域。