非热等离子体高效降解水体中荧蒽(FLT)的机理研究及环境应用

本研究针对多环芳烃(PAH)类优先控制污染物荧蒽(FLT)在水环境中难降解的问题，创新性地采用针-水式非热等离子体(NTP)反应器，实现了5分钟内100%降解效率，能量效率高达110 mg/kWh。通过LC-ESI-MS/MS和Fukui函数指数揭示了FLT的羟基化/硝化降解路径，为PAHs污染水体修复提供了高效化学-free的解决方案。

　　

荧蒽（Fluoranthene, FLT）作为多环芳烃（PAHs）家族中的"顽固分子"，因其复杂的稠环结构和低水溶性，在环境中表现出惊人的持久性。这种被欧盟REACH法规列为高度关注物质（SVHC）的污染物，不仅广泛存在于地表水、地下水和废水系统中，更令人担忧的是，它已通过食物链进入人类母乳。流行病学研究显示，FLT暴露与肝肾疾病和癌症风险显著相关，而道路径流和工业废水排放使其在80%的英国流域中浓度超标。面对传统生物降解和光催化技术效率低下的困境，非热等离子体（Non-Thermal Plasma, NTP）技术因其能同步产生羟基自由基(^•OH)、臭氧(O₃)等活性氧氮物种(RONS)的特性，成为破解PAHs降解难题的新希望。

研究人员设计了一种创新的针-水式NTP反应器，通过七针电极阵列产生高密度放电，精准靶向聚集在水-气界面的疏水性FLT分子。实验采用脉冲电源（10 kV，10 kHz）在空气氛围中生成等离子体，结合紫外-可见光谱实时监测气相活性物种，并通过HPLC-FLD和LC-ESI-MS/MS追踪FLT降解动力学及中间产物。为阐明反应机制，团队运用密度泛函理论(DFT)计算Fukui函数指数，预测分子活性位点。

3.1 操作参数优化揭示高效降解窗口

在电极间距6 mm、脉宽1 μs的最佳条件下，NTP仅需5分钟即可清除95%的FLT。研究发现降解速率常数(k)与施加电压呈线性关系（0.133 min^-1·kV^-1），而能量效率在6 kV时达到峰值110 mg/kWh。小间距电极产生的密集流注分支和增强的冲击波速度，显著提升了RONS向液相的传质效率。

3.2 活性氧氮物种的协同作战

发射光谱检测到N₂(C³Π_u)和OH(A-X)特征峰，证实了气相中活性物种的富集。液相分析显示，伴随FLT降解，溶液pH从6.6降至4.5，ORP升高35%，H₂O₂在前10分钟被快速消耗，暗示其直接参与氧化反应。特别值得注意的是，ONOO^-的酸催化分解产生^•OH和NO₂^•，为硝化反应提供了双重攻击"武器"。

3.3 分子层面解密降解途径

质谱鉴定出9种中间产物，包括m/z 217的羟基化产物(P1-P3)和m/z 246的硝基衍生物(P5)。DFT计算显示C9位点的Fukui函数(f⁰)值最高，与实验观测到的优先攻击位点完美吻合。动态追踪发现，羟基化产物在10分钟达到峰值，而硝基化合物则呈现延迟生成特征，证实了ROS和RNS的分阶段作用机制。

这项发表于《Environmental Technology》的研究，首次系统阐明了NTP降解FLT的分子机制与工程优化策略。其创新价值体现在三方面：① 针-水式反应器设计突破了传统等离子体-液体界面传质瓶颈；② 110 mg/kWh的能量效率为工程放大提供了经济性支撑；③ 建立的DFT-Fukui预测模型可推广至其他PAHs的降解路径设计。尽管在实际废水处理中仍需考虑悬浮物干扰等问题，但该技术作为生物处理的预处理单元或深度净化手段，展现出广阔的工业化应用前景。未来研究可聚焦于NTP-生物耦合工艺开发，以及降解产物的生态毒性评估，以推动这项绿色技术从实验室走向工程实践。