利用基于生物质的高孔隙活性碳推进可持续废水处理：对吸附机制和效率的见解

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Advancing Sustainable Wastewater Treatment with Biomass-Based Highly Porous Activated Carbon: Insights into Sorption Mechanisms and Efficiency

研究添加UV稳定剂的聚丙烯（PP）10升太阳能消毒容器，发现其虽耐候性提升但杀菌效率下降，尤其隐孢子虫灭活不足，且部分水样显示轻微细胞毒性，结论PP不适合长期SODIS应用。

　　### 太阳能水消毒（SODIS）容器材料的评估与挑战

太阳能水消毒（Solar Water Disinfection, SODIS）作为一种低成本但高效的水处理技术，已被广泛应用于资源匮乏地区，以提供安全的饮用水。该技术利用太阳光中的紫外线（UV）和热量，通过光化学反应和热效应，实现对水中病原体的灭活。SODIS的核心在于选择适合的透明容器材料，因为这些材料的光学和机械性能直接影响其消毒效果和使用寿命。尽管聚丙烯（Polypropylene, PP）因其优异的透明性和耐用性而被选为SODIS容器材料，但其在长期暴露于太阳辐射下会因光降解而变得脆弱，最终失去结构完整性。

在本研究中，我们评估了添加了紫外线稳定剂的10升PP透明容器（TJC3），以提高其耐久性，同时保持其对水生病原体的灭活能力。尽管添加稳定剂的TJC3在结构稳定性方面表现出色，但其对某些病原体（如隐孢子虫）的灭活效果却不如之前未添加稳定剂的TJC原型。这表明，虽然紫外线稳定剂可以增强材料的耐久性，但其对UV光的吸收和散射作用可能会降低光透射率，从而影响SODIS的灭菌效率。

### SODIS的基本原理与病原体灭活机制

SODIS的灭活机制主要依赖于太阳光中的UV-A和UV-B成分。UV-A主要通过氧化反应对微生物造成损伤，而UV-B则因其较强的光化学活性，能够诱导DNA突变，从而对某些病原体（如细菌和原生动物）产生显著的灭活效果。因此，材料的UV透射率是决定SODIS灭活能力的关键因素之一。然而，聚丙烯在长期暴露于太阳光下时，其UV透射率会逐渐降低，尤其是在添加了紫外线稳定剂后，这种透射率的下降更为显著。

在SODIS过程中，水中的微生物被紫外线和热能共同作用，导致其活性降低。例如，通过实验发现，未添加稳定剂的PP容器在6小时内可以实现对大肠杆菌（E. coli）的4.53 log减少，而添加了稳定剂的TJC3则仅达到这一数值。此外，对于隐孢子虫（C. parvum）等原生动物病原体，TJC3的灭活效果显著低于未添加稳定剂的PP容器。这说明，尽管UV稳定剂提高了材料的耐久性，但其对UV透射率的负面影响可能会削弱SODIS的灭菌效果。

### 材料的耐久性与光降解现象

在本研究中，我们使用了加速老化测试（Accelerated Ageing Test）来评估PP材料在自然太阳光下的耐久性。测试结果显示，添加了UV稳定剂的TJC3在9个月的自然太阳光暴露后，其结构完整性得以保持，未出现明显的脆化现象。相比之下，未添加稳定剂的TJC2和TJC2+在2个月内就出现了结构脆化，最终完全失去功能。这表明，UV稳定剂的添加显著提高了PP容器的使用寿命。

然而，尽管TJC3在结构上更加耐用，其光学性能却受到较大影响。通过光谱分析，我们发现TJC3在UV-B区域的透射率几乎为零，而在UV-A区域的透射率也显著降低。这种透射率的下降可能是由于UV稳定剂对UV光的吸收和散射作用，从而减少了紫外线到达水体的有效能量。这一现象导致了SODIS对某些病原体的灭活效果降低，甚至在某些情况下变得不充分。

### 病原体灭活效果的比较分析

在比较不同PP容器和PET瓶的灭活效果时，我们发现TJC3的灭活效果显著低于其他原型。例如，TJC2和TJC2+在6小时内对大肠杆菌的灭活效果分别达到了5.26 log和5.62 log，而TJC3仅为4.53 log。对于隐孢子虫，TJC3的灭活效果更是低至0.16 log，远低于PET瓶的0.75 log。这表明，尽管UV稳定剂提高了材料的耐久性，但其对UV光的吸收和散射作用显著削弱了SODIS的灭菌能力。

此外，通过分析不同时间点的细胞活性，我们发现TJC3在某些情况下表现出轻微的细胞毒性。根据ISO 10993-5:2009标准，细胞活性低于80%即被视为具有毒性。在实验中，TJC3的某些水样在特定浓度下显示出细胞活性低于80%，表明其可能对人类健康产生一定影响。相比之下，TJC2和TJC2+在所有时间点和浓度下均表现出非毒性特性，细胞活性均高于80%。

### 光降解对材料性能的影响

为了进一步了解UV稳定剂对PP材料性能的影响，我们对TJC3进行了光谱分析和分子量测定。结果显示，TJC3的光降解程度远低于TJC2和TJC2+。在9个月的自然太阳光暴露后，TJC3的羰基指数（Carbonyl Index, CI）几乎没有变化，而TJC2和TJC2+的CI则显著增加，表明其发生了光降解。这种光降解导致了分子量的降低，从而影响了材料的机械性能。

通过测量TJC3的拉伸强度，我们发现其在9个月的暴露后仅下降了29.8%，而TJC2和TJC2+的拉伸强度分别下降了63.41%和68.57%。这说明，UV稳定剂的添加有效抑制了PP材料的光降解过程，从而提高了其耐久性。然而，这种提高是以牺牲灭菌效果为代价的，因为UV稳定剂的加入显著降低了材料的UV透射率，进而影响了SODIS对病原体的灭活能力。

### 材料选择的挑战与未来研究方向

尽管PP材料在SODIS应用中具有一定的优势，如良好的透明性和成本效益，但其在长期使用中的光降解问题限制了其应用范围。因此，研究者们一直在寻找替代材料，以在保持良好灭菌效果的同时提高耐久性。例如，一些研究尝试使用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和聚乳酸（PLA）等材料，这些材料在UV透射率和耐久性方面表现出更好的性能。

然而，目前的研究表明，PP材料的光降解问题仍然是一个重要的挑战。尽管添加了UV稳定剂可以显著提高其耐久性，但这种改进并未完全恢复其UV透射率，导致灭菌效果下降。因此，未来的SODIS容器材料需要在保持良好UV透射率的同时，具备更高的耐久性。这可能需要对现有稳定剂进行优化，或者开发新的稳定剂，以减少其对UV透射率的负面影响。

### 结论与建议

综上所述，尽管添加了UV稳定剂的PP透明容器在耐久性方面有所提升，但其对病原体的灭活效果却显著下降，尤其是在处理隐孢子虫等原生动物病原体时。此外，某些水样在长期暴露后表现出轻微的细胞毒性，这可能对使用者健康产生一定影响。因此，当前的PP材料及其添加剂可能并不适合长期SODIS应用。

为了克服这些挑战，研究者们需要进一步探索其他材料或改进现有材料的性能。例如，可以尝试使用具有更高UV透射率和更好耐久性的材料，或者开发新的稳定剂，以在不显著降低UV透射率的情况下提高材料的耐久性。此外，还需要对材料的长期光降解和细胞毒性进行更深入的研究，以确保其在实际应用中的安全性和有效性。

在资源匮乏地区，SODIS作为一种低成本、高效的水处理技术，其应用前景广阔。然而，材料的选择和性能优化是确保其长期有效性的关键。未来的研究应更加关注如何在保持良好灭菌效果的同时，提高材料的耐久性，以满足实际应用的需求。这不仅有助于提高SODIS的普及率，也能确保使用者的安全和健康。