利用双波长紫外光激活的过氧单硫酸盐体系（VUV/UVC/PMS）消除培氟沙星和左氧氟沙星

《Journal of Industrial and Engineering Chemistry》：Elimination of pefloxacin and levofloxacin by dual-wavelength UV activated peroxymonosulfate system (VUV/UVC/PMS)

抗生素污染表面水处理双波长紫外协同过硫酸盐体系高效降解氟喹诺酮类研究|高级氧化过程|抗生素去除|双波长紫外|过硫酸盐自由基|协同效应

　　

丛庚|薛阳|陈胜楠|赵志伟|关银燕|高伟春|梁纪燕|陈媛|陈晓峰

沈阳工业大学环境与化学工程学院，中国沈阳 110870

摘要

近年来，表面水中抗生素的普遍存在及其潜在的生态风险引起了广泛关注。双波长紫外线（VUV/UVC）与过硫酸盐（PMS）协同作用的先进氧化系统被作为一种潜在的技术用于去除水中的有机污染物。VUV/UVC/PMS过程通过用VUV（185 nm）和UVC（254 nm）照射PMS，同时生成羟基自由基（·OH）、硫酸根自由基（SO₄^·-）和单线态氧（¹O₂）。这一过程显著提高了培氟沙星（PEF）和左氧氟沙星（LEV）的降解效率。实验结果表明，在初始PEF和LEV浓度较低、初始PMS浓度较高、反应温度较高以及初始pH值为11的条件下，VUV/UVC/PMS系统能够达到最佳的降解效果。在该系统中，·OH、SO₄^·-和¹O₂是降解LEV的主要活性物种，分别贡献了84.46%、5.52%和7.98%的降解作用。通过EEM光谱和高分辨率质谱分析，揭示了PEF和LEV的降解途径，并阐明了VUV与PMS之间的协同机制。与单独使用VUV或UVC相比，VUV/UVC/PMS系统的能耗显著降低，PEF的降解能耗减少了7.58%-41.87%，LEV的降解能耗减少了2.7%-76.34%。研究表明，VUV/UVC/PMS系统具有高效、低能耗和操作简便的优点，使其成为处理表面水中抗生素污染的绿色可持续方法。

引言

近年来，氟喹诺酮类、磺胺类和四环素类等抗生素在人类医学、农业和畜牧业中的使用量显著增加[28]。这主要是由于全球抗生素消费量的急剧上升。据预测，到2030年，全球抗生素消费量将增加约67%[41]。由于这些抗生素的代谢率低且化学稳定性高，大约70%的抗生素会以原始形式通过各种途径进入地表水环境[1]。这些抗生素具有持续释放和持久性的特点，可能加剧细菌耐药性的问题[34]。城市污水处理厂（WWTPs）的排放物占进入地表水来源的抗生素总量的32%-60%，因此被认为是水环境中抗生素的主要来源[7]。现有的常规污水处理工艺无法有效去除水中的各种抗生素。例如，在生物处理过程中，氟喹诺酮类抗生素的去除效率为26%-75.8%；在消毒过程中，去除效率为18%-39%。然而，经过污水处理厂处理后，氟喹诺酮类抗生素的排放浓度仍高达ng·L^?1至μg·L^?1，导致其在地表水环境中广泛存在[48]。因此，开发一种能够有效去除城市污水处理厂排放物中抗生素的方法已成为当务之急。

在各种抗生素处理技术中，高级氧化过程（AOPs）表现出显著的降解效率，尤其是基于硫酸根自由基（SO₄^·-的AOPs[21]。将SO₄^·-与羟基自由基（·OH，E₀ = 2.8 V，< 1 μS）进行比较发现，SO₄^·-具有更高的氧化还原电位（E₀ = 2.5–3.1 V）和更长的半衰期（30–40 μS），使其特别适合处理复杂污染物，如抗生素。通过热[10]、超声波[53]、化学协同氧化[22]和紫外线（UV）激活等多种方法可以实现硫酸根自由基（PS）或PMS的生成[9]。研究表明，紫外线辐射可以有效触发PS或PMS的激活，从而产生SO₄^·-[35]。该过程的绿色环保性和低能耗也值得注意。Mo等人[32]采用了UVC/PMS系统，利用UVC激活PMS，从而生成·OH和SO₄^·-。这种方法的效力源于自由基和非自由基途径的协同作用，共同促进了三甲基丙烷（TMP）的有效去除，并在消毒过程中显著降低了消毒副产物（DBPs）的产生。因此，在水质复杂的情况下，UV辐照催化的SO₄^·-生成已成为研究的热点。

VUV/UVC可以同时发射185 nm（VUV）和254 nm（UVC）波长的光子，这一特性使其成为近年来高级氧化研究中的重点。研究表明，UVC可以激活PMS，生成SO₄^·-和·OH（公式（1）；同时，VUV辐照还能使水分子产生高活性的·OH、·H和e_aq^-（公式（2）、（3）。这一过程能有效降解有机化合物，如卤代乙酸[45]和磺胺甲噁唑（Li等人，2022年）。尽管VUV/UVC系统在降解有机化合物时会产生活性氧物种（ROS）和非活性氧物种，但仍有大量UVC光子未被利用。因此，将PMS引入VUV/UVC体系中，形成VUV/UVC/PMS反应系统，可以生成更多种类的活性物种，从而提高污染物降解速率。该反应系统在VUV辐射下光解水产生ROS和非活性氧物种，并在VUV和UVC作用下激活PMS生成SO₄^·-，以实现污染物的降解[8]。