光芬顿纳米催化技术处理市政污水中的新兴污染物：机制、性能与可持续性展望

《Results in Chemistry》：Combined adsorption-piezocatalytic removal of acid black 172 using Ce-MOF under aerobic conditions driven by flow-induced vibration

本文系统综述了纳米催化剂增强的光芬顿技术在市政污水处理中的应用，重点探讨了Fe2O3、TiO2、ZnO等材料在降解药物残留、内分泌干扰物等污染物方面的机制与效能，为绿色水处理技术提供理论依据与实践路径。

　　

随着城市化进程加速，市政污水中日益增多的新兴污染物已成为全球水环境治理的严峻挑战。传统污水处理工艺（如活性污泥法）对药物残留、内分泌干扰物等微量污染物去除效率有限，甚至存在“负去除”现象（即出水浓度高于进水）。这些污染物虽浓度低至ng/L~μg/L，但其生物累积性和生态毒性可能引发抗生素耐药性扩散、水生生物雌性化等连锁风险。因此，开发高效、低能耗的高级氧化技术（AOPs）迫在眉睫。

光芬顿技术作为AOPs的重要分支，通过铁基催化剂与过氧化氢（H₂O₂）在光照下协同产生高活性羟基自由基（·OH），能高效降解难分解有机物。近年来，纳米材料工程的发展进一步推动了该技术的革新：研究者通过设计掺杂型金属氧化物、碳基复合材料等新型催化剂，显著提升了光芬顿反应的效率、稳定性及可见光利用率。本文发表于《Results in Chemistry》，系统综述了纳米催化剂增强的光芬顿技术在市政污水处理中的最新进展，从反应机制、材料设计到实际应用潜力进行了全面探讨。

为开展研究，作者团队检索了2010–2024年间Web of Science、Scopus等数据库的文献，聚焦于真实或模拟市政污水基质中光芬顿技术（包括均相、非均相及纳米催化剂修饰体系）对污染物去除效率、矿化程度及生物降解性提升的研究。通过对比分析不同催化剂的性能参数（如pH适应性、H₂O₂投加量、光照条件），评估了各类纳米材料在实际应用中的可行性。

1. 市政污水中的新兴污染物特征

市政污水成分复杂，除常规有机物外，还含有高浓度的药物和个人护理产品（PPCPs）、抗生素耐药基因（ARGs）及微塑料等。研究表明，布洛芬、卡马西平等药物在出水中的残留浓度可达μg/L级，而双氯芬酸等难降解物质的传统工艺去除率不足30%。这类污染物易在水体中富集，并通过食物链传递生态风险。

2. 光芬顿反应中羟基自由基的生成机制

光芬顿技术的核心在于·OH的持续生成。均相体系中，Fe²⁺/Fe³⁺循环在紫外/可见光驱动下加速H₂O₂分解产生活性氧物种（ROS）。非均相纳米催化剂（如Fe₂O₃、TiO₂）则通过表面缺陷工程、异质结构建等方式增强光生电荷分离，并拓展pH适用窗口。例如，CeO₂催化剂表面的氧空位可捕获电子，促进Ce⁴⁺/Ce³⁺循环，进而提升·OH产率。

3. 纳米催化剂的性能比较与优化策略

研究对比了Fe₂O₃、TiO₂、ZnO、CeO₂及WO₃等催化剂的效能：

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  TiO₂在紫外光下对染料降解率超99%，但可见光响应差；
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  Fe₂O₃具有窄带隙（2.0–2.2 eV），适合太阳能驱动，但易发生电荷复合；
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  ZnO降解罗丹明B的效率达87%，但在酸性环境中易溶出Zn²⁺；
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  WO₃在可见光下对抗生素的TOC去除率达54%，且稳定性良好。
  通过掺杂（如Fe–TiO₂）或构建复合材料（如石墨烯负载Fe₃O₄），可显著提升催化剂的可见光吸收与循环使用性。

4. 技术挑战与可持续发展路径

尽管实验室研究取得显著成果，光芬顿纳米催化技术的规模化应用仍面临挑战：

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  催化剂稳定性：铁溶出、表面钝化等问题影响长期运行效果；
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  二次污染风险：不完全矿化可能产生毒性更高的中间产物；
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  能耗与成本：H₂O₂投加量与光照条件制约经济性。
  未来研究需结合人工智能优化反应参数，开发磁性可回收催化剂，并推动光芬顿-膜滤混合工艺的示范应用。

结论与展望

光芬顿纳米催化技术通过高效产生·OH，为市政污水深度处理提供了绿色解决方案。掺杂型催化剂与太阳能驱动的结合，进一步降低了能耗与操作成本。然而，实现大规模应用需突破材料稳定性、副产物控制等瓶颈。未来研究应聚焦于催化剂寿命评估、真实污水矩阵中的毒性消减效能以及数字化智能控制系统的开发，以推动该技术从实验室走向工程实践。