探索TiO2纳米颗粒的光催化与抗菌特性在染料废水净化中的可持续应用

针对工业染料废水对生态环境和人类健康的威胁，印度Jadavpur大学团队通过合成TiO2纳米颗粒（NPs），系统研究了其可见光驱动的RhB染料降解（效率达84.4%）和抗病原性大肠杆菌（E. coli）活性（灭活率96%），并验证了降解水体的低植物毒性。该研究为工业废水处理提供了兼具高效性和环境友好性的纳米技术解决方案。

　　

随着纺织、化妆品等行业排放的染料废水持续污染水体，罗丹明B（RhB）等合成染料的化学稳定性和生物毒性已成为严峻的环境挑战。这些污染物不仅阻碍水生光合作用，还会通过食物链富集，而废水中携带的致病性大肠杆菌（E. coli）更直接威胁人类健康。尽管现有吸附、膜过滤等技术存在能耗高、二次污染等缺陷，纳米材料的出现为这一困局带来转机——其中二氧化钛（TiO₂）纳米颗粒（NPs）因其优异的光催化性能和生物相容性备受关注。

印度贾达普大学（Jadavpur University）物理系的研究团队通过溶胶-凝胶法合成TiO₂ NPs，系统评估其在可见光下净化染料废水和灭活病原菌的双重功效。研究采用X射线衍射（XRD）确认纳米颗粒为11.11 nm的锐钛矿相，紫外可见光谱（UV-Vis）显示其2.91 eV的带隙能。通过构建RhB染料降解体系，发现180分钟内降解效率达84.4%，自由基捕获实验证实超氧自由基（O₂^-）是主要活性物种。更引人注目的是，TiO₂ NPs在可见光协同下对E. coli的灭活率高达96%，荧光探针实验揭示其通过产生活性氧（ROS）破坏细菌细胞膜。植物毒性实验则证明，经纳米颗粒处理的废水可使绿豆种子萌发指数恢复至接近对照组水平。

关键技术包括：1）TiO₂ NPs的溶胶-凝胶合成与400℃煅烧结晶；2）XRD、FTIR、FESEM-EDX等多维度表征；3）可见光驱动的RhB降解动力学分析；4）基于菌落计数（CFU）和DCFH-DA荧光探针的抗菌机制研究；5）采用绿豆发芽实验评估水体植物毒性。

结果揭示：

1. 材料特性：FTIR谱图显示Ti-O-O键（979 cm^-1）和表面羟基（3745 cm^-1），EDX证实元素组成仅为Ti和O。
2. 染料降解：可见光下RhB降解符合一级动力学，五次循环后效率仍超80%，显著优于传统TiO₂/SiO₂复合材料（43.19%）。
3. 抗菌性能：TiO₂ NPs与可见光协同作用使细菌死亡率达96%，显著高于单独使用纳米颗粒（78%）或光照（54%）。
4. 生态安全：降解废水培育的绿豆根长（8.2 cm）接近对照组（8.5 cm），而染料废水组仅5.3 cm。

这项发表于《Cleaner Water》的研究创新性地证明：未修饰的TiO₂ NPs在可见光下即可实现高效染料降解和细菌灭活，其环境友好性通过植物毒性实验得到验证。相较于需要紫外激发的传统体系，该技术更符合实际应用的经济性与安全性需求，为工业废水回用农业提供了潜在解决方案。研究人员特别指出，表面缺陷工程可能是提升纯TiO₂可见光响应的关键，这为后续研究指明了方向。