多种污染物去除率超90% 张正华团队研发出新型水净化技术

贤集网8月12日讯：在全球水资源面临短缺和污染的严峻形势下，寻找高效、可持续的水净化技术成为当务之急。高级氧化膜法水净化技术作为一项具有巨大潜力的创新解决方案，正逐渐引起广泛关注。

近年来，利用膜法限域催化和电化学阴极再生催化剂策略，清华大学张正华教授课题组陆续取得了一系列的成果。近日，张正华教授团队以“A sustainable and metal free advanced oxidation process for efficient water purification by electrified reduced graphene oxide membrane”为题在Cell Press细胞出版社旗下期刊Chem Catalysis发表最新成果。这项工作为低成本的碳催化剂用于高效、可持续水净化提供了参考。

一、高级氧化膜法水净化技术的原理与突破

高级氧化工艺（AOPs）一直是水净化领域的研究热点，但长期以来，催化剂效率和稳定性之间的权衡效应一直是其面临的主要挑战。清华大学张正华教授团队的研究为解决这一难题带来了新的思路。

他们开发的电催化还原氧化石墨烯（rGO）膜活化过一硫酸盐（PMS）的高级氧化膜法水净化技术，具有无金属和可持续的显著优势。这种技术能够有效降解水中多种污染物，去除率超过 90%，同时显著降低中间产物毒性，实现无害出水。

从原理上看，外加电场在其中发挥了关键作用。它不仅维持了 rGO 的形貌结构，还在阴极促进了 rGO 的 C-O/C=O 官能团的氧化还原循环。C-O 官能团的电化学再生为 rGO-PMS*的形成提供了可持续的活性位点，这是保证 rGO 膜长期稳定性的重要机制。

与传统技术相比，该技术的电催化 rGO 膜过滤系统停留时间短，仅为 1.87 秒，能耗也极低，仅为 0.07 kWh/m³。这些突破使得该技术在实际应用中具有更高的效率和更低的成本。

二、技术的实验验证与机理研究

为了深入探究这一技术的性能和机理，研究团队进行了一系列严谨的实验和分析。

在电催化 rGO 膜/PMS 系统的催化性能和活性氧物种识别实验中，以雷尼替丁作为模型污染物进行评估。结果显示，E/rGO/PMS 系统表现出卓越的降解性能，10 分钟后雷尼替丁去除率达到 97.0%，且随时间性能保持稳定，而 rGO/PMS 系统则在 30 分钟后去除污染物性能开始下降。同时，E/rGO/PMS 系统在矿化率、PMS 利用率和表观速率常数等方面均显著优于 rGO/PMS 系统。

通过电子顺磁共振（EPR）和化学淬灭实验，确定了 E/rGO/PMS 系统中存在自由基和非自由基氧化途径。但进一步的实验表明，自由基和 1O2 都不是雷尼替丁降解的主要活性物种，推测电子转移机制（ETP）可能是潜在的主要降解途径。

为了揭示 ETP 机理，研究团队利用原位拉曼光谱、电化学分析和单室、双室氧化实验等多种手段进行了深入研究。结果表明，相邻转移电子传递过程是雷尼替丁降解的主要途径，且外加电场强化了这一过程。

对反应前后 rGO 膜的官能团和形态变化的研究发现，阴极的还原环境可以减缓 rGO 的氧化，C-O 官能团可能是触发 ETP 相邻传递途径的主要活性位点。同时，E/rGO/PMS 系统中 rGO 的形貌结构更完整，有助于系统的稳定运行。

进一步的密度泛函理论计算（DFT）从理论上证实了 rGO-PMS亚稳态复合物降解雷尼替丁的合理性，确定了 rGO 的 C-O 官能团对生成 rGO-PMS亚稳态复合物的重要性以及其在阴极的氧化还原循环再生对于实现可持续 ETP 氧化途径的关键作用。

三、技术的通用性与稳定性评估

为了验证该技术在实际应用中的广泛适用性和长期稳定性，研究团队进行了全面的评估。

在通用性方面，E/rGO/PMS 系统对多种药物和染料等污染物均表现出高效的降解效果，六种污染物的去除率在 91%至 99%之间。同时，该系统具有良好的抗水质波动干扰能力，在不同 pH 值、阴离子和自然水体条件下，去除率仅下降 1%至 8%。

在稳定性方面，E/rGO/PMS 系统在电极电位为 -1.2 V（vs. Ag/AgCl）时运行，能耗仅为 0.07 kWh/m³。连续实验结果显示，E/rGO/PMS 系统在连续运行 24 小时后的去除率高达 93.3%，与没有电场的 rGO/PMS 系统相比，去除率提高了 48%。持续运行 50 小时时，雷尼替丁的去除率仍保持在 92%以上，充分证明了其出色的稳定性。

四、技术的应用前景与展望

高级氧化膜法水净化技术的成功研发为水资源净化领域带来了新的希望。这项技术不仅为解决当前严峻的水污染问题提供了一种有效的手段，也为未来水净化技术的发展指明了方向。

在未来的应用中，该技术有望在工业废水处理、城市污水处理以及饮用水净化等领域发挥重要作用。其无金属、可持续的特点符合环保和可持续发展的要求，有望降低水净化的成本，提高水资源的利用效率。

然而，要实现这一技术的广泛应用，还需要进一步解决一些实际问题。例如，如何优化技术的大规模应用工艺，降低设备成本，提高技术的适应性和可靠性等。同时，还需要加强与相关企业和政府部门的合作，推动技术的产业化进程。

尽管面临诸多挑战，但高级氧化膜法水净化技术的出现无疑是一个重要的突破。相信在科研人员的不断努力和各界的共同支持下，这项技术将为全球水资源的保护和可持续利用做出重要贡献。