高效去除水体中普萘洛尔的PbO2涂层Ti/Sb-SnO2电极技术：实验与DFT机理解析及生态毒性评估

本研究针对水体中高毒性β-受体阻滞剂普萘洛尔（PRL）污染问题，创新性采用Ti/Sb-SnO2/PbO2电极进行电化学降解。通过优化电流密度（50 mA/cm2）实现90分钟内>94%去除率，阐明HO•、SO4•?和O2•?的协同作用机制，结合DFT理论解析降解路径。尽管处理液毒性短期升高，但急性毒性阈值（0.23 g/dm3）显示环境风险可控，为制药废水治理提供高效解决方案。

　　

随着心血管疾病患者数量激增，β-受体阻滞剂普萘洛尔（PRL）在全球水体中的检出浓度已高达μg/dm³级。这种具有生物蓄积性（pK_ow=3.48）的药物，即使痕量也会导致水生生物繁殖障碍、器官发育异常甚至死亡，其预测无效应浓度（PNEC）仅0.73 μg/L。更严峻的是，传统污水处理厂对PRL几乎无降解效果，而微生物法因其芳香环结构难以经济高效地分解该物质。面对这一环境挑战，塞尔维亚的研究团队在《Journal of Water Process Engineering》发表突破性成果，开发出Ti/Sb-SnO₂/PbO₂电极系统，通过电化学高级氧化工艺（AOPs）实现PRL高效降解。

研究采用Taguchi正交设计优化参数，结合UHPLC-MS鉴定中间产物，并创新性地整合密度泛函理论（DFT）计算揭示反应机制。关键实验技术包括：X射线衍射（XRD）表征电极晶体结构，电子顺磁共振（EPR）检测活性氧物种（ROS），以及大型蚤急性毒性实验评估生态风险。

【XRD】
电极表面分析显示SnO₂、Sb₂O₃和PbO₂多晶相共存，无杂质峰证实材料纯度，TiO₂基底层有效防止钛钝化。

【降解动力学】
在pH=3、j=50 mA/cm²条件下，90分钟降解率达94%，反应符合准一级动力学。电流密度和PRL浓度是主要影响因素，而Na₂SO₄浓度和pH影响微弱。

【活性物种】
EPR检测揭示时间依赖性氧化机制：前40分钟以HO^•主导（Eq.1），后期SO₄^•?（Eq.6）和O₂^•?（Eq.5）贡献提升，臭氧（Eq.2-4）协同增强氧化能力。

【生态毒性】
虽然降解中间体使溶液毒性暂时升高，但最终急性毒性阈值0.23 g/dm³远低于环境风险水平。实际水样（自来水86%、雨水84%）验证了技术的普适性。

【结论】
该研究通过实验与理论计算的深度融合，阐明PRL在Ti/Sb-SnO₂/PbO₂电极上的降解路径：初始阶段HO^•攻击苯环产生羟基化产物，随后SO₄^•?引发侧链断裂，最终矿化为CO₂和H₂O。电极10次循环后仍保持81%效率，兼具稳定性和经济性。这项工作不仅为药物污染控制提供新技术，其"氧化物种时序调控"机制更为复杂水体污染物治理开辟新思路。