混合辉光等离子体-空化技术破解水杨酸污染难题：从皮肤护理到水处理的技术突破

本研究针对污水处理厂(WWTPs)中高浓度水杨酸(SA)对微生物群落的毒性风险，创新性地开发了结合水力空化(HC)和放电(ED)等离子体的混合高级氧化工艺(AOP)。实验证明该技术可在20分钟内实现98%的SA去除率，能量产率达715 mg/kWh，显著优于传统超声处理(54%去除率需120分钟)。该研究为制药废水预处理提供了高效环保的解决方案，具有重要的工程应用价值。

　　

随着护肤品和医药产品的广泛使用，水杨酸(Salicylic Acid, SA)已成为污水处理厂(WWTPs)中普遍存在的污染物。这种源自痤疮治疗产品和阿司匹林代谢产物的化合物，在污水中的浓度可达3-900 mg/L，远超欧洲化学品管理局(ECHA)规定的162 mg/L无效应浓度(PNEC)。更令人担忧的是，高浓度SA会破坏污水处理中关键的生物氧化微生物群落，导致处理效率下降。与此同时，传统处理方法如生物降解往往难以有效去除SA，而常规高级氧化工艺(Advanced Oxidation Processes, AOPs)又面临能耗高、使用有毒氧化剂等问题。这种两难境地促使科学家们寻找更高效环保的解决方案。

为应对这一挑战，研究人员开发了一种创新的混合处理技术，将水力空化(Hydrodynamic Cavitation, HC)与放电(Electrical Discharge, ED)等离子体相结合。这项研究发表在《Ultrasonics Sonochemistry》期刊上，展示了该技术在SA去除方面的卓越性能。研究团队通过精心设计的实验证明，这种"等离子体-空化"协同作用能产生大量高活性氧化物质，如羟基自由基(•OH)、原子氧(•O)和臭氧(O₃)，可高效降解SA及其代谢产物。

研究采用了多项关键技术方法：1) 搭建5L规模的HC/ED等离子体反应器系统，工作压力20 bar，流速330 L/h；2) 使用高效液相色谱(HPLC)监测SA及其降解产物2,3-DHBA和2,5-DHBA；3) 气相色谱-质谱联用(GC-MS)分析中间产物；4) 与传统超声(US)处理(500 kHz, 250 W)进行对比；5) 采用技术成熟度(TRL)评估体系分析技术可扩展性。

在"SA降解与混合HC/ED等离子体"部分，研究展示了令人振奋的结果。使用40 mg/L SA溶液时，仅需20分钟就实现98%的去除率，且主要降解产物2,3-DHBA和2,5-DHBA也被完全矿化。特别值得注意的是，在自来水基质中(电导率391 μS/cm)的处理效果优于去离子水，这在实际应用中具有重要意义。当SA浓度提升至80 mg/L时，系统仍保持高效，15分钟内完成降解，证明其处理高浓度废水的能力。

关于"SA化学剂量测试"的讨论揭示了重要发现：传统SA剂量法不适用于该技术，因为SA及其羟基化产物降解过快，无法准确反映•OH产量。这提示需要开发更适合等离子体技术的自由基检测方法。在"技术成熟度评估"部分，研究团队创新性地为AOPs制定了专门的TRL评价标准。根据能量参数(EEO 5.76 kWh·m^-3·order^-1)和实际处理效果，该技术已达到TRL 7级，显示出良好的工业化前景。

与传统"超声降解SA"的对比实验凸显了HC/ED的优势。超声处理即使经过120分钟也只能去除54%的SA，且遵循零级动力学，表明其效率低下。能量分析更显示，HC/ED的能量产率(715 mg/kWh)是超声的265倍，这种差距在规模化应用中将是决定性的。

综合讨论指出，这项研究的意义不仅在于开发了一种高效SA处理技术，更在于为等离子体-空化协同效应提供了实证基础。该技术无需添加化学氧化剂，避免了二次污染，符合绿色化学原则。从应用角度看，其适中的能量需求和处理速度使其非常适合作为污水处理厂的预处理单元，保护后续生物处理系统的微生物群落。研究还特别强调，未来工作应聚焦于反应器放大和实际废水处理测试，以加速技术产业化进程。

这项研究突破了传统AOPs的局限，为解决日益严重的药物污染物问题提供了新思路。其创新性不仅体现在技术层面，还包括建立了专门的AOP评估体系，为同类研究提供了重要参考。随着全球对水环境保护要求的提高，这种高效、环保的水处理技术有望在制药、医疗废水处理领域发挥重要作用，实现从"皮肤护理"到"水护理"的技术跨越。