醫(yī)院廢水中的抗生素殘留如何高效清除？傳統(tǒng)方法存在二次污染風(fēng)險(xiǎn)，天津大學(xué)團(tuán)隊(duì)在《Engineering》發(fā)表的最新研究給出新答案：通過(guò)精準(zhǔn)調(diào)控銅原子在MXene材料（一種二維金屬碳化物）上的分布模式，首次實(shí)現(xiàn)過(guò)硫酸鹽（PMS）激活效率提升近6倍，磺胺甲惡唑（SMX，常見(jiàn)抗生素）降解率高達(dá)97.3%。這項(xiàng)“原子級(jí)操控”技術(shù)，為水處理行業(yè)按下“精準(zhǔn)治污”加速鍵。

從“單兵作戰(zhàn)”到“團(tuán)隊(duì)協(xié)作”：銅原子排列決定凈水效率
傳統(tǒng)水處理催化劑常面臨金屬泄漏、活性位點(diǎn)利用率低的難題。研究團(tuán)隊(duì)采用原子層沉積技術(shù)（ALD），像“納米級(jí)3D打印機(jī)”一樣，在MXene材料表面精準(zhǔn)錨定銅原子，制備出單原子、團(tuán)簇和薄膜三種分布模式。實(shí)驗(yàn)顯示，團(tuán)簇結(jié)構(gòu)（C-Cu-MXene）對(duì)PMS的吸附能（-5.435電子伏特）遠(yuǎn)超單原子（-4.236）和薄膜結(jié)構(gòu)（-3.548），如同磁鐵般牢牢鎖住氧化劑分子。這種“抱團(tuán)作戰(zhàn)”模式使SMX降解速率達(dá)0.0485 min?1，是薄膜結(jié)構(gòu)的近6倍，60分鐘內(nèi)污染物去除率超過(guò)99%。

解密“原子指揮棒”：氧化劑利用率提升61%
團(tuán)簇結(jié)構(gòu)的秘密藏在電子轉(zhuǎn)移中。密度泛函理論（DFT）計(jì)算顯示，團(tuán)簇銅與PMS分子間的電子轉(zhuǎn)移量達(dá)1.056電子伏特，比單原子模式高出14%。這相當(dāng)于給PMS裝上“分子剪刀”，將原本穩(wěn)定的O-O鍵從1.332埃拉伸至1.476埃，輕松切斷產(chǎn)生硫酸根自由基（SO?·?）。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，團(tuán)簇結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中SO?·?穩(wěn)態(tài)濃度比單原子體系高1-3個(gè)數(shù)量級(jí)，貢獻(xiàn)了97.3%的降解效能，氧化劑利用率提升至61%，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)催化劑。

毒性“瘦身計(jì)劃”：降解產(chǎn)物危害降低85%
技術(shù)突破不僅在于效率，更在于安全性。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)液相色譜-質(zhì)譜（LC-MS）追蹤發(fā)現(xiàn)，團(tuán)簇催化劑將SMX分解為12種中間產(chǎn)物，其中4種為獨(dú)有低毒物質(zhì)。例如，P6產(chǎn)物的發(fā)育毒性值從原藥的0.85降至0，生物富集系數(shù)降低90%。對(duì)比實(shí)驗(yàn)顯示，團(tuán)簇系統(tǒng)產(chǎn)生的有毒中間體數(shù)量比薄膜結(jié)構(gòu)減少35%，60分鐘內(nèi)總有機(jī)碳（TOC）去除率達(dá)55.6%，接近徹底礦化。

極端環(huán)境“掉鏈子”？團(tuán)隊(duì)預(yù)警技術(shù)邊界
盡管性能卓越，研究也揭示局限：當(dāng)水體pH值低于5或高于9時(shí)，降解效率分別下降至49.8%和34.5%。這如同“智能凈水器在強(qiáng)酸強(qiáng)堿環(huán)境中突然失靈”，需通過(guò)預(yù)處理調(diào)節(jié)水質(zhì)。此外，多次循環(huán)使用后，團(tuán)簇結(jié)構(gòu)銅含量會(huì)從0.26%衰減至0.15%，存在微量金屬泄漏風(fēng)險(xiǎn)。團(tuán)隊(duì)建議未來(lái)研發(fā)中引入稀土元素穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，或開(kāi)發(fā)磁性回收技術(shù)。

目前，該成果已與深圳環(huán)保企業(yè)合作中試，目標(biāo)將催化劑成本控制在現(xiàn)有活性炭體系的1.5倍內(nèi)。論文通訊作者程占軍教授表示：“當(dāng)每一克催化劑都能‘指哪打哪’，污水處理廠或可縮減藥劑投加量60%。”隨著“精準(zhǔn)催化”技術(shù)迭代，未來(lái)城市廢水處理或迎來(lái)從“粗放消殺”到“分子手術(shù)”的范式變革。

來(lái)源: Engineering