基于碘离子介导的 Z 型异质结可见光光催化处理实际热敏纸浸出液中的双酚 A

《Water Research》:Treating bisphenol A in real thermal paper leachates by visible-light photocatalysis with an iodide-mediated Z-scheme heterojunction

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年09月02日 来源:Water Research 12.8

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   摘要热敏纸浸出液释放的双酚 A (BPA) 是真实水生环境中内分泌干扰污染的被忽视来源,然而大多数光催化研究局限于去离子水或单一污染物溶液,缺乏真实基质验证。在此,我们制备了一种碘化物介导的 Z 型 g-C3N4/BiOIO3 异质结,并系统评估了其在现实场景中的性能。该光催

  

摘要

热敏纸浸出液释放的双酚 A (BPA) 是真实水生环境中内分泌干扰污染的被忽视来源,然而大多数光催化研究局限于去离子水或单一污染物溶液,缺乏真实基质验证。在此,我们制备了一种碘化物介导的 Z 型 g-C3N4/BiOIO3 异质结,并系统评估了其在现实场景中的性能。该光催化剂在较低用量下实现了 BPA 去除率低于检测限,催化活性超越了其他报道的铋基催化剂。更重要的是,该系统在 pH 3.0-11.0 范围内及四种未经处理的水体(河流、湖泊、自来水和雨水)中均保持了高效的 BPA 去除率。在使用实际雨水和湖水制备的热敏纸浸出液中,BPA 在 20 分钟内被去除至检测限以下。斑马鱼胚胎试验表明,处理后的浸出液将孵化率从 20% 提高到 60% 以上,并消除了心包水肿,证实了化学去除转化为毒性降低。连续流反应器在 48 小时内保持超过 90% 的 BPA 去除率,展示了连续流操作的潜力。机理研究证实光生空穴和单线态氧是主要活性物种,碘化物作为高效的电子介体抑制电荷重组并保持稳健的氧化还原能力。本工作表明,在特定来源的浸出液中结合化学降解与生物安全性评估是可行的,超越了理想化的水系统,迈向现实废水场景。

引言

内分泌干扰物 (EDCs) 被广泛认为是全球水生环境中关键的新兴污染物,其普遍分布对生态系统结构和功能构成重大威胁 (Xiao et al., 2023)。作为代表性的 EDC,双酚 A (BPA) 广泛用于聚碳酸酯生产、环氧树脂合成和热敏纸制造 (Wang et al., 2025a)。传统途径包括工业排放和聚碳酸酯产品浸出,将 BPA 释放到水体中,导致该污染物在全球地表水和市政污水中反复出现 (Im and L?ffler, 2016; Xiao et al., 2025b)。近年来,快递和外卖行业的繁荣推动了热敏纸消费的爆炸式增长,商用热敏纸平均含有 13.3 mg/g 的 BPA (Biedermann et al., 2010;Wang et al., 2026b)。含热敏纸的废包装不当处置使得 BPA 通过垃圾填埋场浸出液渗透和自然风化持续释放到水生环境中,使其成为水生 BPA 污染的相当大来源 (Biedermann et al., 2010; Geens et al., 2011)。值得注意的是,BPA 即使在痕量环境浓度下也能干扰内分泌功能,并被许多国家列为优先污染物 (Grace et al., 2025; Vandenberg et al., 2012)。因此,开发从复杂水基质中去除 BPA 的抗干扰技术是环境修复的迫切需求。
可见光光催化由于其温和的操作条件、低能耗和太阳能利用潜力,已被广泛用于有机污染物修复 (Wang et al., 2026a; Wang et al., 2025c)。许多异质结,特别是基于石墨相氮化碳和含铋材料的那些,已被报道具有令人印象深刻的降解效率 (An et al., 2025; Cui et al., 2021; khan et al., 2025; Ma et al., 2025)。然而,对文献的仔细审查揭示了一种持续的模式。绝大多数这些研究都是在去离子水或仅含单一目标污染物的简单模拟溶液中进行。例如,一些研究报告了基于 g-C3N4 的光催化剂在纯水中实现完全 BPA 去除,但并未测试任何真实水基质 (Xu et al., 2022; Zhang et al., 2022; Zhang et al., 2024)。其他研究构建了在实验室水中具有优异动力学的 Z 型系统,但未评估共存阴离子或腐amic 酸存在下的性能 (Lin et al., 2025b; Xie et al., 2023)。即使偶尔检查真实水基质,通常也只是单一类型,如自来水或河水,表征很少。一个典型的观察是,在当地自来水中测试的光催化剂显示活性适度下降,但更具挑战性的特定来源浸出液未被研究 (Xin et al., 2025; You et al., 2023)。热敏纸浸出液是此类复杂基质的典型例子。这里的 BPA 与显色剂和染料等共浸出有机添加剂共存,但很少有光催化研究解决了这种现实的污染场景。因此,理想化水系统中的实验室发现与处理真实废流所需的性能之间仍存在相当大的差距。
一个相关但独特的局限性是,大多数研究以液相色谱或质谱测定的母体化合物消失作为结论,通常声称有效去除或解毒而没有任何生物学验证。部分降解可能产生比原始污染物更持久或毒性更大的转化产物,特别是对于像 BPA 这样的 EDC (Fan et al., 2026; Ma et al., 2024)。据报道,可以使用某些光催化剂实现完全 BPA 去除,但随后的体外试验发现处理后的溶液由于羟基化副产物的形成而保留了雌激素活性 (Lin et al., 2020)。尽管如此,较高级的生态毒性评估,如脊椎动物胚胎试验,在光催化研究中仍然极其罕见。少数研究使用斑马鱼胚胎评估 BPA 光降解中间体的毒性,但那些研究仅限于模拟水基质而没有现实世界的复杂性 (Gao et al., 2024; Zhou et al., 2025)。因此,化学去除与实际生态安全之间的联系在很大程度上仍未得到验证,这限制了许多以材料为重点的研究的实际相关性。
鉴于这些观察,本工作使用热敏纸浸出液作为案例研究,调查光催化在更现实的水条件下的表现。制备了一种碘化物介导的 Z 型 g-C3N4/BiOIO3 异质结,不仅在多种真实水体(河流、湖泊、自来水和雨水)中,还在使用实际雨水和湖水制备的热敏纸浸出液中进行了系统评估。除了化学降解动力学外,还使用斑马鱼胚胎发育毒性试验评估了处理后浸出液的生态安全性。还构建了连续流反应器以探索基本的工程可行性。本研究提供了一个在现实的特定来源浸出液中评估化学去除和生态安全的例子。结果表明,在这种复杂条件下可以实现完全 BPA 降解和显著毒性降低,表明结合化学和生物终点评估对于评估现实水基质中的光催化可能很有价值。

章节片段

化学品

除非另有说明,所有化学品均为分析纯级,水溶液使用去离子水 (18.2 MΩ·cm) 制备。化学品的详细信息见文本 S1。

天然水收集

本实验使用了四种天然水源,其具体采集地点和坐标如下:河水,采集自吉安市赣江主流 (N 27°10′22″, E115°05′37″);湖水,采集自井冈山大学校园内的兰月湖

光催化剂的制备与表征

图 1a 示意描绘了 I-介导的 Z 型 g-C3N4/BiOIO3 异质结的制备路线。g-C3N4 纳米片首先通过三聚氰胺热聚合获得,随后在其表面原位水热生长 BiOIO3 纳米片形成 2D/2D 异质结。这种二维层状结构有利于紧密的界面接触、丰富的可及位点和短的电荷迁移距离,所有这些都促进了光生载流子

结论

本工作表明,通过使用热敏纸浸出液作为代表性复杂基质,光催化 BPA 降解可以从理想化的水系统扩展到真实废水处理。碘化物介导的 Z 型 g-C3N4/BiOIO3 异质结在现实环境条件下进行了评估,侧重于基质稳健性和生态安全性,而不仅仅是材料性能。该系统在 3.0 到 11.0 的宽 pH 范围内保持了高去除效率

CRediT 作者贡献声明

Yifeng Zeng:概念化,调查,写作 - 初稿。Wenli Zhang:方法论,形式分析。Lu Di:调查,可视化。Yun Wang:调查,数据整理。Hongping Liao:软件,验证。Huiji Xiao:写作 - 审查与编辑。Xubiao Luo:监督,资源。Yanbo Zhou:写作 - 审查与编辑,项目管理,资金获取。

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Yifeng Zeng: 写作 - 初稿,调查,概念化。Wenli Zhang: 方法论,形式分析。Lu Di: 可视化,调查。Yun Wang: 调查,数据整理。Hongping Liao: 软件,资源。Huiji Xiao: 写作 - 审查与编辑。Xubiao Luo: 监督,资源。Yanbo Zhou: 写作 - 审查与编辑,项目管理,资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了 国家自然科学基金 (批准号 52370168) 和 江西省自然科学基金 联合基金 (批准号 20253BAC280127) 的支持。
Yifeng Zeng|Wenli Zhang|Lu Di|Yun Wang|Hongping Liao|Huiji Xiao|Xubiao Luo|Yanbo Zhou
生命科学院,江西省红壤地区功能生物学与污染控制重点实验室,井冈山大学,吉安,343009,中国
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