粉状活性炭非自由基活化过氧乙酸降解磺胺甲恶唑 华中科技大学王宗平与谢鹏超教授团队ES&T研究解读

华中科技大学王宗平教授与谢鹏超教授团队在环境领域权威期刊《Environmental Science & Technology》上发表的研究，聚焦于粉状活性炭（PAC）非自由基活化过氧乙酸（PAA）降解水中新兴污染物磺胺甲恶唑（SMX）的效能与机制。该工作为高级氧化水处理技术提供了一种无需过渡金属、避免自由基淬灭副作用的绿色催化路径，具有重要的理论价值与工程应用前景。

磺胺甲恶唑作为典型磺胺类抗生素，在环境水体中频繁检出，具有生态毒性及诱导耐药基因传播的风险。传统基于羟基自由基或硫酸根自由基的活化方式虽氧化能力强，但易受水体基质干扰，且可能生成有毒副产物。过氧乙酸因具有较低O–O键解离能和较高选择性氧化能力而受到关注，但其温和条件下的活化效率有限。非自由基活化可借助碳材料表面缺陷或含氧官能团，通过电子转移机制选择性氧化富电子污染物，从而克服自由基路线的局限。

研究系统考察了粉状活性炭活化PAA降解SMX的性能。结果表明，在较宽pH范围内（3–9），PAC/PAA体系对SMX均表现出良好的降解效果，降解过程符合准一级动力学。适当提高PAC投加量和PAA浓度可加速反应，而过高剂量则因活性位点饱和或自由基淬灭效应出现边际递减。常见阴离子（Cl⁻、NO₃⁻、HCO₃⁻）和天然有机质对该体系的影响较小，说明其抗干扰能力优于传统自由基体系，有利于实际水体应用。

机制分析是本研究的核心亮点。通过自由基淬灭实验、电子顺磁共振（EPR）及电化学表征，团队证实PAC/PAA体系中羟基自由基和硫酸根自由基不是主导活性物种，反应遵循非自由基路径——可能涉及PAC表面含氧官能团（如羰基、羧基）与PAA形成表面复合物，进而通过电子转移使SMX发生单电子氧化。X射线光电子能谱（XPS）和拉曼光谱表明，PAC表面的缺陷结构与羰基/醌类官能团是活化PAA的关键位点；PAA与表面官能团作用后促进活性中间体的生成速率，提升体系选择性氧化能力。PAC的吸附富集作用可增加SMX在固–液界面的局部浓度，与表面活化产生协同效应，进一步提升降解效率。

团队进一步评估了SMX的降解路径与毒性变化。基于液相色谱–质谱联用（LC–MS）鉴定出的中间产物，推测降解主要发生在磺酰胺键断裂、羟基化及异噁唑环开环等位点；毒性预测与发光菌抑制实验显示，降解过程中急性毒性逐步降低，表明矿化方向更趋向低毒小分子产物。多次循环实验表明PAC具有较好的稳定性，经 simple 再生后催化活性仅略微下降，无明显金属浸出风险。

综上，该研究揭示了粉状活性炭非自由基活化过氧乙酸高效降解磺胺甲恶唑的可行性及机制，为发展低碳、低能耗、抗干扰的抗生素污染水体处理技术提供了新思路，也为碳基催化剂在高级氧化领域的理性设计提供了理论支撑。未来研究可结合连续流反应器与真实水体长期运行评估，推动该技术向实际工程转化。鹏超科技在该方向的持续探索表明非自由基路线有望成為水处理技术升级的重要选择之一。