《Journal of Industrial and Engineering Chemistry》：Degradation of facemask–leached DOM in bromide–containing water using O
3/UV/ZnO and O
3/UV/TiO
2 process: transformation characteristics and trihalomethanes formation
编辑推荐：
•光催化臭氧法增强口罩DOM降解。•O3/UV/TiO2在60分钟内实现了高达96%的DOM去除率。•类腐殖质疏水组分转化为亲水组分。•处理后THM4生成量降低52–62%。•O3/UV/TiO2处理后细胞毒性降低49–62%。引言全球COVID-19大流行导致一次性个人防护
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光催化臭氧法增强口罩DOM降解。
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O3/UV/TiO2在60分钟内实现了高达96%的DOM去除率。
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类腐殖质疏水组分转化为亲水组分。
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处理后THM4生成量降低52–62%。
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O3/UV/TiO2处理后细胞毒性降低49–62%。
引言
全球COVID-19大流行导致一次性个人防护装备（PPE）的生产和消费出现前所未有的增长，尤其是口罩[1], [2]。尽管这些材料在预防病毒传播方面发挥了关键作用，但它们的随意丢弃却产生了一种新的、广泛存在的环境污染源[3]。口罩通常由聚丙烯和聚酯等合成聚合物制成，含有增塑剂、稳定剂、染料和其他功能性化学品等各种添加剂[4]。当这些材料进入水生环境时，它们可能发生物理和化学风化，导致DOM和其他可溶性组分的浸出[2]。这一新兴的人源DOM来源向水体中引入了复杂的有机化合物混合物，可能影响水质并挑战现有的处理工艺。
溶解性有机质被公认为饮用水处理过程中消毒副产物（DBP）形成的关键前体[5], [6]。特别是，当氯与有机前体在消毒过程中发生反应时，会形成三卤甲烷（THMs）[7], [8]。尽管已有大量研究聚焦于源自陆地和水源的天然有机质（NOM），但相较于源自合成聚合物废物（如废弃口罩）的DOM，这方面的关注仍然很少。口罩来源的DOM在化学组成、官能团和芳香性方面可能与传统NOM存在显著差异[9]，这可能改变其在氧化和氯化过程中的反应活性。这种差异在溴化物离子存在时尤为重要，由于地质构造、海水入侵和人为活动，溴化物离子在天然水体中普遍存在[10]。溴化物可以将DBP形态转变为溴代THMs[11]，而后者是z。
高级氧化过程（AOPs）已被广泛研究用于降解难降解有机污染物[12]和减少DBP前体[13]。其中，臭氧（O3）与紫外辐照（UV）的组合增强了羟基自由基的生成，后者表现出强氧化性和非选择性氧化能力[14]。添加半导体光催化剂如二氧化钛（TiO2）或氧化锌（ZnO）可通过光催化活化和额外的活性氧物种生成进一步提高氧化降解效果[15]。这些混合系统，包括O3/UV/TiO2和O3/UV/ZnO，在降解药物、农药和天然有机质方面已展现出良好的性能[16]。然而，大多数研究使用模型化合物或天然来源的NOM进行[17]，关于PPE材料浸出的DOM处理的信息仍然有限。因此，口罩来源的DOM在臭氧-光催化联合条件下的行为仍缺乏深入了解。
此外，对于PPE来源的DOM，此类高级处理对含溴化物水体中后续THM形成的影响尚未得到系统评估。预氧化可能降低芳香性和分子量，从而降低DBP形成潜力[18]。相反，部分氧化可以生成更小、更具反应性的中间体，从而增强氯化过程中卤代副产物的形成[19]。高级氧化的双重作用——无论是减轻还是促进DBP形成——强烈依赖于有机基质的性质和水化学特征。现有的知识主要依赖于腐殖质或经过充分表征的替代材料的研究，对于口罩浸出液等新兴人源DOM来源，仍存在明显的知识空白。此外，在富溴化物条件下TiO2辅助和ZnO辅助臭氧法的比较评估十分匮乏，限制了人们对催化剂特定效应如何影响DOM转化和DBP形态分布的理解。
除化学定量分析外，评估处理后水体潜在健康风险也是必不可少的。传统的指标如总有机碳去除率或THM浓度并不能完全反映复杂转化产物混合物的生物学影响[20]。即使浓度相对较低，溴代THMs和其他卤代副产物也可能表现出较高的细胞毒性[21]。尽管存在这一担忧，鲜有研究将高级氧化处理研究与新兴DOM来源的细胞毒性评估相结合[22]。缺乏化学与毒理学联合评估的限制，使得无法判断高级处理策略是否真正降低了健康风险，还是仅仅将污染物转化为另一种有害物种。
近期的研究表明，废弃口罩在水中风化和辐照过程中可以释放溶解性有机组分[2], [9], [23]。然而，由于天然水体中口罩来源DOM的实地测量数据仍然稀缺，这种释放的环境意义仍不确定。大多数以往的研究侧重于浸出行为[9]、微塑料释放[24]或口罩释放有机质的表征[2], [23]，而非其在含溴化物水体中的行为。在本研究中，加速浸出产生了可测量的DOC浓度，证明了废弃口罩贡献人源DOM的潜力。然而，实验浸出条件使用了相对较高的口罩-水比和UVA辐照，代表的是受控筛选场景而非直接模拟环境风化。因此，测得的DOC浓度不应被解释为具有代表性的环境浓度。本研究旨在解决一个更具体的知识空白：一旦口罩来源的DOM释放入水，其在高级氧化过程中是否会发生转化，并随后影响含溴化物水体中的THM形成。这种面向处理研究的视角尤其相关，因为即使浓度相对较低的人源DOM，当其进入经过氧化处理和氯化的水体时，也可能影响DBP的形成。
在此背景下，本研究系统地研究了在含溴化物水体中O3/UV/ZnO和O3/UV/TiO2工艺对一次性口罩浸出的溶解性有机质的降解效果。评估了处理后DOM特征的变化以阐明转化行为，并定量分析了氯化过程中THM物种的后续形成。此外，还评估了处理后和氯化后样品的估计细胞毒性，以建立化学转化与潜在生物学效应之间的联系。通过聚焦于一种新兴人源DOM来源，并在富溴化物条件下比较两种光催化臭氧系统，本研究填补了一个关键的知识空白，为高级氧化过程在控制受污染水系统中DBP形成方面的有效性和安全性提供了新的见解。
章节摘要
样品与化学试剂
棉布、KN95和外科口罩样品购自印度尼西亚当地市场，作为本研究中的代表性PPE样品。二氧化钛（TiO2, P25）由Evonik Industries（德国）提供，氧化锌（ZnO）纳米颗粒购自Sigma-Aldrich（美国）。三卤甲烷标准混合物（THM4, EPA 501/601），含三氯甲烷（TCM）、二氯一溴甲烷（BDCM）、二溴一氯甲烷（CDBM）和三溴甲烷（TBM），购自Sigma-Aldrich
口罩样品的FTIR光谱
图2a展示了棉布、KN95和外科口罩样品的FTIR光谱，揭示了不同的官能团分布，反映了聚合物组成和添加剂的差异。在约3200–3600 nm处观察到宽吸收带，归因于O–H伸缩振动，表明存在羟基或吸附水分。在2850–3000 nm附近出现的显著峰对应于脂肪族C–H伸缩振动，是聚丙烯和聚酯基材料的特征
结论
本研究证实，高级氧化过程能够有效地转化口罩来源的溶解性有机质并降低其消毒副产物形成潜力。在所研究的系统（UV、O3、O3/UV、O3/UV/ZnO和O3/UV/TiO2）中，光催化臭氧法在降低特征紫外吸收信号方面表现最佳。O3/UV/TiO2构型对棉布和KN95浸出液的特征紫外吸收信号实现了高达96%的降低，并且
CRediT作者贡献声明
Angga Dheta Shirajjudin Aji：撰写初稿、验证、项目管理、方法论、正式分析、数据整理、概念构思。Ansiha Nur：撰写初稿、验证、资源、正式分析。Tasdiyanto：。Mayang Manguri Rahayu：撰写——审阅与编辑、验证、资源、数据整理。Dion Awfa：撰写——审阅与编辑、可视化、调查研究、数据整理。Rifka Noor Azizah：可视化、资源、正式分析。Khansa Fay'i
关于写作过程中生成式人工智能及人工智能辅助技术的声明
在本研究准备过程中，作者使用了ChatGPT来完善稿件内容并绘制图10。在使用该工具/服务后，作者根据需要审阅并编辑了内容，并对出版物的全部内容承担全部责任。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争经济利益或个人关系。
致谢
本研究未获得公共、商业或非营利部门任何基金会的专门资助。
Angga Dheta Shirajjudin Aji|Ansiha Nur|Tasdiyanto|Mayang Manguri Rahayu|Dion Awfa|Rifka Noor Azizah|Khansa Fay'i Safira|Nia Yuniarti Hasan|Noneng Dewi Zannaria|Novi Fitria|Wisnu Prayogo|Lita Darmayanti|Muammar Qadafi
