响应面法优化生物电芬顿系统降解孔雀石绿的效能与机制研究

本研究针对传统电芬顿法能耗高的问题，采用生物电芬顿（BEF）系统结合响应面法（RSM），优化了pH、电压、Fe2+浓度等关键参数，实现孔雀石绿（MG）降解率98.9%。揭示了?OH介导的脱甲基和苯环断裂双路径降解机制，为持久性有机污染物（POPs）的绿色处理提供新策略。

　　

纺织和医疗行业广泛使用的孔雀石绿（MG）是一种具有致癌、致畸效应的持久性有机污染物（POPs），传统处理方法如电芬顿法虽有效但能耗高，而生物电芬顿（BEF）技术通过耦合微生物电化学与芬顿反应，有望实现高效低耗降解。然而，BEF系统运行参数复杂，且MG降解路径尚不明确，亟需系统性优化与机制解析。

针对上述问题，中国某研究团队在《Biocatalysis and Agricultural Biotechnology》发表研究，采用响应面法（RSM）设计44组实验，优化pH、电压、Fe²⁺等5变量，结合生物膜表征和中间产物分析，揭示了MG的降解机制。关键技术包括：1）双室BEF反应器构建（含碳纤维刷阳极和气体扩散阴极）；2）中心复合设计（CCD）实验方案；3）高效液相色谱（HPLC）检测MG降解率；4）扫描电镜（SEM）观察生物膜形态。

Bio-Electro-Fenton系统设置与操作
研究设计了两室BEF反应器，阳极室接种电活性菌，阴极室通入空气生成H₂O₂。SEM显示阳极形成成熟生物膜，证实系统长期运行稳定性。

响应面法优化实验
RSM模型显示pH、电压和MG初始浓度对降解效率影响显著（p<0.05）。最优条件为pH 3、电压0.6 V、Fe²⁺ 8 mM，MG降解率达98.9%，模型预测值与实验值相关系数R²=0.983。

降解路径分析
通过中间产物鉴定，提出?OH攻击双路径：1）脱甲基化（甲基被H取代）；2）苯环氧化裂解（C-C键断裂），最终矿化为CO₂和H₂O。

结论与意义
该研究首次将RSM应用于BEF系统优化，明确了?OH主导的MG降解分子机制。相比传统电芬顿，BEF节能优势显著（电压仅需0.6 V），且Fe²⁺可循环再生。研究成果为工业废水处理提供了参数优化范式和理论支撑，推动POPs绿色治理技术发展。