抗生素、全氟化合物、環(huán)境內(nèi)分泌干擾物等具有毒性、持久性和累積性的新污染物廣泛存在于水環(huán)境中，雖濃度低卻危害生態(tài)平衡與人體健康。其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳統(tǒng)工藝難降解，成為環(huán)境治理痛點(diǎn)。
如何克服這一痛點(diǎn)？記者11月30日從昆明理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院獲悉，該院潘學(xué)軍教授團(tuán)隊(duì)近期在新污染物光催化高級(jí)氧化處理方向取得新進(jìn)展，團(tuán)隊(duì)圍繞鉬酸鉍催化材料的晶相調(diào)控與構(gòu)效關(guān)系，構(gòu)建了高效可見(jiàn)光驅(qū)動(dòng)的鉬酸鉍及高碘酸鹽體系，實(shí)現(xiàn)了典型抗生素污染物的高效降解。相關(guān)成果發(fā)表于國(guó)際期刊《應(yīng)用催化B：環(huán)境與能源》。
研究示意圖。受訪單位供圖
聚焦治理痛點(diǎn)攻克技術(shù)瓶頸 “新污染物易通過(guò)食物鏈累積，治理刻不容緩，急需高效綠色技術(shù)來(lái)破解這一難題，守護(hù)生態(tài)與健康安全?！迸藢W(xué)軍介紹，這類污染物廣泛存在于地表水、地下水等水環(huán)境中，濃度雖低但危害顯著，不僅會(huì)破壞生態(tài)系統(tǒng)平衡，還可能通過(guò)食物鏈累積影響人體健康。然而，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難以被傳統(tǒng)水處理工藝有效去除，成為當(dāng)前環(huán)境治理領(lǐng)域的一大痛點(diǎn)。
此前，潘學(xué)軍團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期深耕新污染物治理與高級(jí)氧化技術(shù)研發(fā)。針對(duì)這一難題，團(tuán)隊(duì)從材料“晶相—結(jié)構(gòu)—性能”入手開(kāi)展系統(tǒng)研究。針對(duì)新污染物難以被傳統(tǒng)工藝徹底去除的特點(diǎn)，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了以鉬酸鉍為主體的可見(jiàn)光響應(yīng)催化材料，并與高碘酸鹽協(xié)同構(gòu)建光驅(qū)動(dòng)高級(jí)氧化體系，通過(guò)精細(xì)調(diào)控材料晶體結(jié)構(gòu)和表面電子結(jié)構(gòu)，顯著提升了體系對(duì)目標(biāo)污染物的吸附與降解能力。
在最新研究中，團(tuán)隊(duì)合成并對(duì)比四種典型鉬酸鉍晶相，揭示其在高碘酸鹽活化中的差異，首次明確鉍—氧鍵活性、三價(jià)鉍暴露程度及表面電荷分離效率的關(guān)鍵作用。其中，二鉍六氧化二鉬憑借獨(dú)特的奧里維利烏斯層狀結(jié)構(gòu)與優(yōu)異電子行為，實(shí)現(xiàn)對(duì)典型抗生素氧氟沙星的超快速降解，且在多種天然水體、共存離子及連續(xù)流條件下保持高穩(wěn)定性。
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，該技術(shù)對(duì)水中典型抗生素類新污染物的去除率可達(dá)95%以上，且能將污染物有效分解，避免了二次污染的產(chǎn)生。與傳統(tǒng)處理技術(shù)相比，新型催化體系還具有反應(yīng)條件溫和、能耗低、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，無(wú)需高溫高壓等苛刻條件，便于在現(xiàn)有水處理設(shè)施中進(jìn)行改造應(yīng)用。
技術(shù)落地可期賦能生態(tài)保護(hù) 這一體系不僅用于治理典型抗生素類物質(zhì)，其穩(wěn)定性與抗干擾性，在模擬實(shí)際地表水、地下水等多種天然水體以及常見(jiàn)的氯離子、硫酸根離子共存離子及連續(xù)流運(yùn)條件下，仍能保持優(yōu)異的降解性能，無(wú)明顯效率衰減。
“從高碘酸鹽體系的核心作用機(jī)制來(lái)看，這一技術(shù)體系對(duì)全氟化合物、環(huán)境內(nèi)分泌干擾物等新污染物同樣具有治理潛力?！迸藢W(xué)軍教授介紹，由于具有強(qiáng)氧化活性物種的廣譜作用，在可見(jiàn)光驅(qū)動(dòng)下，高碘酸鹽被激活的同時(shí)，能生成包括羥基、碘酰和超氧等自由基，以及光生空穴、單線態(tài)氧等非自由基物種。這些活性物種氧化能力強(qiáng)，且作用機(jī)制多樣。
對(duì)全氟化合物而言，最難降解的核心是碳—氟鍵鍵能極高，常規(guī)氧化手段很難實(shí)現(xiàn)斷裂。該體系產(chǎn)生的羥基自由基與光生空穴有望通過(guò)逐步攻擊機(jī)制削弱碳—氟鍵穩(wěn)定性，促進(jìn)其斷裂并將長(zhǎng)鏈全氟化合物逐步轉(zhuǎn)化為短鏈中間體，最終實(shí)現(xiàn)礦化為氟離子和二氧化碳。
對(duì)環(huán)境內(nèi)分泌干擾物而言，其危害源于分子中如雙酚A的酚羥基、鄰苯二甲酸酯的酯基的“激素活性結(jié)構(gòu)”。多種活性物種可優(yōu)先氧化這些關(guān)鍵位點(diǎn)，使污染物失去生物活性并進(jìn)一步分解為小分子產(chǎn)物，從而有效降低環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。
“新污染物治理是打贏污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)、保障生態(tài)環(huán)境安全的重要內(nèi)容?！眻F(tuán)隊(duì)成員、昆明理工大學(xué)副教授吳曉勇表示，基于這些結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，新的可見(jiàn)光響應(yīng)催化材料可增強(qiáng)對(duì)高碘酸鹽的活化能力，進(jìn)而提升活性物種的生成量與穩(wěn)定性，為降解結(jié)構(gòu)復(fù)雜的全氟化合物、環(huán)境內(nèi)分泌干擾物提供了基礎(chǔ)條件。
目前，該團(tuán)隊(duì)正圍繞環(huán)境功能催化材料與其他處理工藝的耦合應(yīng)用，開(kāi)展進(jìn)一步的放大試驗(yàn)與工藝優(yōu)化研究，探索在城鎮(zhèn)污水提標(biāo)、工業(yè)廢水深度處理及再生水新污染物控制中的應(yīng)用潛力，推動(dòng)新污染物治理關(guān)鍵技術(shù)的自主創(chuàng)新和成果轉(zhuǎn)化。團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人潘學(xué)軍表示，后續(xù)將結(jié)合區(qū)域水環(huán)境特點(diǎn)與工程需求，持續(xù)推進(jìn)新污染物篩查、遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律及治理技術(shù)的系統(tǒng)研究，為構(gòu)建精準(zhǔn)、高效、綠色的水環(huán)境治理體系提供更加堅(jiān)實(shí)的科技支撐。
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