热解温度调控马粪生物炭特性及其活化过一硫酸盐降解磺胺甲恶唑的机制研究

本研究针对水体中磺胺甲恶唑（SMX）污染问题，通过热解马粪制备生物炭（HMB），探究其活化过一硫酸盐（PMS）降解SMX的性能。结果表明，HMB900/PMS体系在30分钟内实现93%的SMX降解，pH适应性广（5-9），且可重复使用5次。降解机制以单线态氧（1O2）为主（贡献>50%），并鉴定出6种低毒中间体。该研究为农业废弃物资源化及水处理提供了可持续解决方案。

　　

抗生素的广泛使用在医疗、畜牧和水产养殖领域带来了巨大便利，但随之而来的环境污染问题日益严峻。磺胺甲恶唑（SMX）作为一种典型抗生素污染物，因其难降解性和高毒性，在淡水系统中持续累积，对生态系统和人类健康构成威胁。传统水处理方法难以有效去除这类新兴污染物，亟需开发高效、可持续的解决方案。

在这一背景下，台湾科技部资助的研究团队聚焦于农业废弃物资源化利用，选择马粪作为生物炭（Biochar）前体，探究其热解温度对材料特性的影响，并评估其在过一硫酸盐（PMS）活化降解SMX中的应用潜力。研究成果发表于《Journal of Water Process Engineering》，为农业废弃物高值化利用和水污染治理提供了新思路。

研究团队采用热解法（350-900°C）制备马粪生物炭（HMB），通过元素分析、比表面积测定（BET）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）表征材料特性；利用电子顺磁共振（EPR）和猝灭实验鉴定活性氧物种（ROS）；结合液相色谱-质谱（LC-MS）分析降解中间体，并通过发光细菌毒性测试评估生物毒性变化。

表面特性分析
热解温度升高导致HMB产率从60%降至40%，但显著提升石墨化程度和比表面积（HMB900达512 m²/g）。高温促进C=O等含氧官能团形成，为PMS活化提供活性位点。

降解性能评估
HMB900/PMS体系在30分钟内实现93% SMX降解，优于低温制备的HMB。体系在pH 5-9范围内保持高效，且对多种磺胺类抗生素具有广谱降解能力。五次循环后仍保留60%活性，证实材料稳定性。

机制解析
EPR和猝灭实验表明，单线态氧（¹O₂）是主导活性物种（贡献率>50%），其次为羟基自由基（·OH）和硫酸根自由基（SO₄^?）。高温热解形成的石墨化结构促进电子转移，协同表面官能团共同活化PMS。

环境应用价值
LC-MS鉴定出6种降解中间体，毒性测试显示反应后溶液生物毒性显著降低。该体系适用于低离子强度水体（如地下水），为解决抗生素污染提供了农业废弃物衍生催化剂的成功范例。

该研究创新性地将马粪转化为高效PMS活化剂，阐明热解温度-材料特性-催化性能的构效关系。提出的非自由基主导降解路径为设计可持续水处理技术提供理论依据，同时实现农业废弃物增值利用与环境污染治理的双重目标。未来研究可进一步优化规模化生产工艺，探索复杂水体基质中的实际应用潜力。