盐度介导的表面氧化还原技术实现超低H2O2消耗的高盐废水高效净化

为解决高盐废水中有机污染物去除效率低、能耗高的全球性难题，研究人员开发了一种基于Cu-NG@Cu0催化剂的新型表面氧化还原系统。该技术通过盐度-污染物-水协同配位产生的强电场，实现了超低H2O2（1.5 mM）条件下74.5%总有机碳（TOC）的持续去除，降解速率和H2O2利用率分别提升194.1倍和50倍，为高盐废水处理提供了低能耗解决方案。

　　

在全球水资源危机背景下，高盐废水（盐度>3.5%）的处理成为环境工程领域的"阿喀琉斯之踵"。这类废水占全球排放量的5%，来源于化工、制药、海水淡化等行业，其高盐分与复杂有机物共存导致传统高级氧化工艺（AOPs）中羟基自由基被盐离子猝灭，处理效率断崖式下降。现有技术如湿式空气氧化、电化学氧化等不仅能耗惊人，还会产生二次污染。更棘手的是，膜污染和盐结晶问题使废水回用成为"镜花水月"。面对这一困局，研究人员将目光投向自然界中广泛存在的阳离子-π相互作用——这种蜘蛛丝般强韧的分子间作用力，能否成为破解高盐废水处理难题的"金钥匙"？

中国科学院生态环境研究中心的研究团队在《Water Research》发表的研究给出了肯定答案。他们以蚕沙为原料，通过一锅法合成出具有独特阳离子-π系统的Cu(I)/Cu(II)配位氮改性类石墨烯包裹零价铜催化剂（Cu-NG@Cu^{0）。当该催化剂遭遇高盐环境时，盐度-污染物-水三元协同配位产生155.0-168.1 mV的强表面电场，如同微型"闪电"般瞬间削弱有机物化学键。在仅需1.5 mM H₂O₂的温和条件下，通过表面裂解-水解循环矿化路径，30天内对农药废水TOC去除率稳定在74.5%，降解速率较传统方法提升最高达194.1倍。}

关键技术包括：1）以蚕沙为前驱体的一步热解法构建Cu-NG@Cu⁰催化剂；2）通过同步辐射X射线吸收谱（XAS）解析Cu价态演变；3）采用电化学原子力显微镜（EC-AFM）原位观测表面电场强度；4）实际高盐农药废水（盐度3.5%）和制药废水验证。

【Salinity-mediated ultrafast wastewater decontamination】章节揭示：在100-300 mM盐度下，环丙沙星（CIP）等污染物5分钟内即被完全降解，H₂O₂消耗量较纯水体系降低50倍。冷冻透射电镜显示催化剂表面形成独特的Cu⁰-Cu⁺-Cu²⁺梯度结构，如同"电子高速公路"促进电荷转移。

【Conclusions】部分指出：该技术突破性地将环境盐度从处理障碍转化为反应驱动力，通过构建"污染物-盐分-水-催化剂"四元协同体系，实现H₂O₂利用率5-50倍的飞跃。实际工程测试中，催化剂在极端盐度（300 mM）下仍保持>90%活性，为建立"以废治废"的高盐废水处理新模式提供理论和技术支撑。

这项研究犹如在环境催化领域投下一枚"深水炸弹"，其创新性体现在三方面：首次阐明盐度增强阳离子-π作用的量子化学机制；开创表面定向矿化替代传统自由基氧化的新路径；开发出可大规模生产的生物质衍生催化剂。正如论文通讯作者Chun Hu教授强调："这项技术使高盐废水处理成本从‘奢侈品’变为‘日用品’，为联合国可持续发展目标中‘清洁饮水和卫生设施’的实现提供了中国方案。"