太阳能驱动的N-TiO?-PVDF杂化光催化膜在降解磺胺甲噁唑方面的性能与可重复使用性特征

《Results in Materials》：PERFORMANCE AND REUSABILITY FEATURES OF SOLAR-DRIVEN N-TiO 2-PVDF HYBRID PHOTOCATALYTIC MEMBRANE FOR SULPHAMETHOXAZOLE DEGRADATION

本研究合成氮掺杂二氧化钛-聚偏氟乙烯（N-TiO?-PVDF）光催化膜，评估初始磺胺甲噁唑（SMZ）浓度和pH对降解效率、通量及总有机碳（TOC）去除率的影响。实验表明，pH 4时SMZ降解效率最高（81.3%），通量达552 ml/(7cmD·h)；TOC去除率在pH 7时最高（65%）。经5次循环使用及反洗后，膜性能保持率较高，通量恢复比>0.97，总污染比0.316，证实该膜在太阳能驱动下具有高效、稳定的水处理能力，为规模化应用提供了理论依据。

　　在当今全球水资源日益紧张的背景下，抗生素的滥用以及水需求的不断增长对生态环境造成了严重威胁，导致水体污染和短缺问题愈发突出。特别是在医疗和畜牧业中，抗生素的广泛使用使得大量未被完全降解的抗生素通过废水排放进入自然水体，进而引发一系列环境与健康问题。抗生素因其稳定性、迁移性及生物耐受性，已成为一种新型污染物，对现有污水处理技术构成挑战。因此，开发高效、经济且可持续的水处理技术成为迫切需求。

针对这一问题，研究人员提出了一种基于太阳能驱动的新型光催化膜技术，即氮掺杂二氧化钛（N-TiO?）与聚偏氟乙烯（PVDF）复合膜。这种膜不仅具备高效的抗生素降解能力，还能有效防止膜污染，从而延长其使用寿命和提升运行效率。本研究重点探讨了该膜在不同初始抗生素浓度和溶液pH值条件下的性能表现，以及其在重复使用过程中的耐久性和可回收性。研究结果表明，该膜在pH 4时表现出最佳的降解效率（81.3%）和相对通量（0.78，552ml/7cmD/hr），而在pH 7时则实现了较高的TOC去除率（65%）。这些结果为光催化膜技术在实际水处理中的应用提供了有力支持。

### 1. 抗生素污染的现状与挑战

随着全球人口的增长、城市化进程的加快以及医疗和农业技术的发展，水资源短缺和污染问题日益严重。抗生素的大量使用不仅导致医疗废物中抗生素含量的增加，还使得这些污染物通过废水排放进入自然水体。传统的污水处理系统往往无法有效去除这些污染物，因为抗生素具有较高的化学稳定性，不易被常规的生物降解或物理化学处理手段完全清除。这不仅增加了水体的有机污染负荷，还可能导致抗生素耐药性基因的传播，进而对人类健康构成潜在威胁。

根据世界卫生组织和相关研究机构的数据，抗生素耐药性已成为全球公共健康领域的一大危机。每年有超过100万人因耐药性感染而死亡，其中许多病例与水体中残留的抗生素有关。因此，开发一种能够有效去除抗生素的新型水处理技术，成为解决这一问题的关键。在众多可能的解决方案中，光催化膜技术因其能够利用太阳能进行光催化反应，且具有高效、低成本和可持续等优点，被认为是具有广阔前景的技术方向。

### 2. 光催化膜技术的原理与优势

光催化膜技术是一种结合了膜分离和光催化降解的新型水处理方法。该技术利用半导体材料（如二氧化钛）在光照下产生的电子-空穴对，通过光催化反应将污染物分解为无害的无机物。传统的光催化技术面临诸多挑战，例如催化剂的分离和回收困难、对可见光的利用率较低、可能产生二次污染以及电子-空穴的复合导致催化效率下降。为了克服这些问题，研究人员开发了氮掺杂二氧化钛（N-TiO?）光催化膜，通过引入氮元素来优化催化剂的性能。

N-TiO?的氮掺杂不仅增强了其对可见光的响应能力，还改善了电子-空穴的分离效率，从而提高了光催化反应的活性。此外，N-TiO?与PVDF复合膜的设计使得膜材料具备更强的抗污染能力。PVDF作为一种常用的膜材料，具有良好的化学稳定性和机械强度，但其表面通常具有较强的疏水性，容易导致膜污染。通过将N-TiO?纳米颗粒与PVDF复合，并利用聚乙烯醇（PVA）作为粘附剂，研究人员成功地提升了膜的亲水性，同时增强了其抗污染能力。

### 3. 实验设计与方法

本研究采用了系统化的实验设计，以评估N-TiO?-PVDF膜在不同条件下的性能表现。实验中，研究人员首先合成了N-TiO?-PVDF膜，并将其用于降解磺胺甲恶唑（SMZ）这一典型的抗生素污染物。为了模拟实际水处理条件，实验采用了自然光照，并通过调整SMZ的初始浓度和溶液pH值来研究其对膜性能的影响。

在实验过程中，研究人员利用光催化反应和膜分离的协同作用，对SMZ的降解效率、通量以及TOC去除率进行了评估。同时，为了考察膜的耐久性和可重复使用性，实验进行了五次循环操作，并在每次操作后通过反冲洗来恢复膜的性能。实验结果表明，N-TiO?-PVDF膜在五次循环后仍能保持较高的降解效率（分别为71.5%、68.9%、67.6%、63.7%和61.4%），且通量恢复率保持在0.97以上，总污染率仅为0.316，显示出该膜具有良好的稳定性和可重复使用性。

### 4. pH值对膜性能的影响

pH值是影响光催化膜性能的重要因素之一。实验结果显示，在pH 4时，SMZ的降解效率最高（81.3%），而相对通量也达到0.78（552ml/7cmD/hr）。这主要归因于N-TiO?纳米颗粒在酸性条件下的正电荷特性，使其能够与带负电的SMZ分子之间产生强烈的静电相互作用，从而促进吸附和降解过程。此外，酸性环境还能增强光催化反应中活性物种（如羟基自由基和超氧自由基）的生成，进一步提升降解效率。

然而，随着pH值的升高，SMZ的降解效率和通量均有所下降。在pH 7时，TOC去除率达到65%，而在pH 10时，TOC去除率仅为56.6%。这主要是由于在碱性条件下，SMZ分子的电荷状态发生变化，使其与N-TiO?纳米颗粒之间的静电相互作用减弱，从而影响了降解效率。同时，碱性环境下的羟基自由基生成增加，可能与SMZ分子发生竞争性反应，进一步抑制了降解过程。

### 5. 初始抗生素浓度的影响

初始抗生素浓度对光催化膜的性能同样具有显著影响。实验中，研究人员测试了不同浓度的SMZ（6mg/l、10mg/l和14mg/l）对膜性能的影响。结果显示，随着SMZ浓度的增加，其降解效率和通量均呈现下降趋势。在6mg/l时，SMZ的降解效率达到69.9%，通量为0.73（518ml/7cmD/hr），而在14mg/l时，降解效率降至58.0%，通量仅为0.6（425ml/7cmD/hr）。这一现象可能是由于高浓度SMZ分子在膜表面的吸附导致活性位点被遮蔽，从而降低了光催化反应的效率。

此外，TOC去除率也随着SMZ浓度的增加而下降。在6mg/l时，TOC去除率达到65.0%，而在14mg/l时仅为15.9%。这一趋势表明，高浓度的SMZ分子不仅会占据更多的活性位点，还会增加降解中间产物的生成，从而加剧了污染物的竞争和膜污染的程度。因此，在实际应用中，需要根据水体中抗生素的浓度水平，合理选择膜的运行参数，以最大化其处理效果。

### 6. 膜的耐久性与可重复使用性

为了评估N-TiO?-PVDF膜在实际应用中的耐久性和可重复使用性，研究人员进行了五次循环实验。实验结果显示，该膜在五次循环后仍能保持较高的降解效率（分别为71.5%、68.9%、67.6%、63.7%和61.4%），并且通量恢复率保持在0.97以上。这表明该膜具有良好的稳定性，能够在重复使用过程中维持较高的处理效率。

然而，膜的性能在五次循环后仍出现了一定程度的下降，主要表现为降解效率减少了10.1%，TOC去除率减少了13.59%，通量减少了29.41%。这一下降可能与N-TiO?纳米颗粒在膜表面的逐渐脱落以及膜污染的累积有关。尽管如此，该膜在五次循环后仍能保持较高的处理能力，显示出其良好的耐久性。此外，实验还表明，反冲洗能够有效恢复膜的性能，尤其是在处理高浓度SMZ溶液时，反冲洗对通量的恢复具有显著作用。

### 7. 光催化膜技术的潜在应用与前景

本研究的成果不仅为抗生素污染的治理提供了新的技术路径，也为光催化膜技术的推广和应用奠定了基础。相比传统的光催化系统，该膜技术利用自然阳光作为能量来源，无需额外的电力支持，从而降低了运行成本。此外，该膜在多次重复使用后仍能保持较高的处理效率，显示出良好的经济性和可持续性。

考虑到光催化膜技术在实际水处理中的应用潜力，研究人员还探讨了其在规模化应用中的可行性。通过优化膜的结构和性能，以及改进光催化反应的条件，可以进一步提升该技术的处理能力。同时，结合其他先进的水处理技术（如膜分离、臭氧氧化和高级氧化工艺），可以构建更加高效的水处理系统。未来，该技术有望在农村和偏远地区的水处理中发挥重要作用，为解决全球范围内的水污染问题提供新的解决方案。

### 8. 结论与展望

综上所述，本研究开发的N-TiO?-PVDF光催化膜在去除磺胺甲恶唑等抗生素污染物方面表现出色。实验结果表明，该膜在pH 4时具有最高的降解效率和通量，而在pH 7时则实现了较高的TOC去除率。此外，该膜在五次循环后仍能保持较高的处理能力，显示出良好的耐久性和可重复使用性。这些结果不仅验证了该膜技术的可行性，也为其在实际水处理中的应用提供了重要依据。

未来，研究人员可以进一步优化该膜的性能，例如通过调整N-TiO?的掺杂比例、改善膜的结构设计以及提升其抗污染能力。同时，结合其他先进的水处理技术，如纳米材料增强的膜分离和生物降解技术，可以构建更加高效、环保的水处理系统。此外，推广该技术到更多实际应用场景，如污水处理厂、农村供水系统以及工业废水处理，将是未来研究的重要方向。通过不断的技术创新和优化，光催化膜有望成为解决抗生素污染问题的重要工具，为全球水资源的可持续利用做出贡献。