三峡大学刘湘课题组SPT：通过化学污染物合成多孔N掺杂生物炭高效降解磺胺嘧啶机理及生物毒性评价

第一作者：李秋焰 硕士研究生

通讯作者：刘湘 副教授

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.seppur.2024.128432

成果简介

近日，三峡大学刘湘课题组在Separation and Purification Technology 上发表了题为“Synthesis of N-doped porous biochar from chemical pollutant for efficient sulfadiazine degradation: Performance, mechanism and bio-toxicity assessment”的研究论文(Sep. Purif. Technol.,2025, 353, 128432)，报道了将化学污染物活性红2(RR2)与NaHCO3、尿素共热解合成氮掺杂多孔生物炭(NPBC)，用于活化PMS降解磺胺嘧啶(SDZ)，猝灭实验和EPR结果证实：体系内的ROS有1O2、·OH、SO4·-、O2·-，其中1O2对SDZ的降解起主导作用。

全文速览

无金属碳纳米材料已被开发为激活PMS去除有机污染物最有效和最环保的候选材料，可以有效解决金属基催化剂存在的金属浸出造成的二次污染问题。此项工作基于“变废为宝”的理念，采用双重去污策略——通过共热解化学污染物RR2、NaHCO3和尿素合成碳纳米片，用于活化PMS高效降解SDZ，通过HRMS分析SDZ降解路径，使用ECOSAR对中间产物进行毒性预测；并使用反应液培养小麦种子，预测结果及培养结果均表明，NPBC/PMS体系可以有效降低SDZ的生物毒性。

引言

RR2是纺织废水中常见的偶氮染料，具有高毒性、致畸和致癌性。此项研究中，通过共热解RR2、NaHCO3和尿素，将偶氮染料RR2转化为氮掺杂多孔生物炭(NPBC)的同时，将其应用于水体污染控制领域实现水体净化。通过各种表征对NPBC的结构和形态进行了全面分析，深入研究了NPBC/PMS体系降解SDZ的动力学行为、抗干扰能力及生物毒性，探究了降解机理并推导出可能的降解路径。

图文导读

材料合成

Fig 1. The synthesis of the NPBC.

材料合成中，RR2、NaHCO3和尿素研磨混合均匀后放入石英舟置于管式炉中，在空气氛围下进行煅烧，得到的黑色固体水洗多次后真空干燥得到NPBC。

性能测试

Fig. 2.Influences of (a) catalyst amount, (b) PMS concentration, (c) initial SDZ concentration, and (d) reaction temperature in SDZ degradation; The removal of bisphenol A (e), ciprofloxacin (f), tetracycline (g), and sulfamethoxazole (h) over the NPBC/PMS system. Standard conditions: 20 mg/L of SDZ or other organic pollutants, 0.5 g/L of NPBC catalyst (0.3 g/L for c and d ), and 0.4 g/L of PMS at 30 °C.

系统地研究了通过NPBC/PMS系统去除SDZ的动力学(包括NPBC的量、SDZ浓度、PMS浓度和反应温度)，结果表明均符合一级反应动力学。此外，NPBC/PMS体系具有普适性，对其它有机污染物如：BPA、CIP、TC、SMX均可以实现高效快速降解。

Fig. 3.Effect of (a) inorganic anions (10 mM), (b) HA concentration, and (c) pH on SDZ degradation. Inhibitor effect of (d) NaN3, TBA, EtOH, CHCl3, and (e) various concentrations of NaN3 for the degradation of SDZ over NPBC/PMS system. (f) EPR spectra for different systems with TEMP, DMPO. Standard conditions: 20 mg/L of SDZ, 0.5 g/L of NPBC catalyst and 0.4 g/L of PMS at 30 °C.

评估了无机阴离子、腐殖酸和初始pH对SDZ降解的影响，在NPBC/PMS-SDZ体系内，在1-9的不同初始pH的反应介质中进行SDZ去除。NPBC在pH＝3-9时通过活化PMS去除SDZ方面表现出优异的催化性能。而在pH=1条件下，SDZ的去除受到轻微抑制，但在1 min内实现较高程度SDZ降解。在NPBC/PMS-SDZ体系上进一步研究了SO42-、NO3-、H2PO4-、HCO3-和Cl-对SDZ去除的影响，说明NPBC/PMS体系去除SDZ对自然水体中常见的无机阴离子具有极强的抗干扰能力。

选取NaN3、TBA、EtOH和CHCl3分别作为1O2、·OH、SO4·-和O2·-的特异性清除剂。猝灭实验结果表明，TBA、EtOH和CHCl3对NPBC/PMS-SDZ体系的抑制可以忽略不计，NaN3对NPBC/PMS-SDZ体系的抑制程度极大；EPR结果中，1O2 和O2·-均有较强的信号峰，归因于O2·-向1O2的转化，表明了NPBC/PMS-SDZ体系内1O2的主导作用。

降解路径

Fig. 4.The possible degradation pathways of SDZ in the NPBC/PMS system.

通过HR-MS进一步测试了降解的SDZ溶液，推断出SDZ降解中的九种小中间体。分析SDZ的降解主要经历了两个个关键途径。通过确定这些中间产物它们之间的相互转化，揭示了潜在的降解机制。

生物毒性分析

Fig. 5.Calculated aquatic biotoxicity of SDZ and its removal intermediates by ECOSAR program: (a) acute toxicity and (b) chronic toxicity.

Fig. 6.Phenotype of representative wheat seeds treated by (a) water, (b) SDZ aqueous solution, and (c) degraded SDZ aqueous solution at three days.

通过ECOSAR软件预测及小麦种子发芽实验结果证明，NPBC/PMS体系处理后的SDZ，其生物毒性大大降低。

小结

提出了“一石二鸟”的解决水体污染的策略，报道了一种共热解化学污染物RR2、NaHCO3和尿素合成氮掺杂多孔生物炭(NPBC)的工艺，并将其应用于水体污染控制，实现“变废为宝，以废治废”的理念。通过各种表征对NPBC的结构和形态进行了全面分析，深入研究了NPBC/PMS体系降解SDZ的动力学行为、抗干扰能力，探究了降解机理并推导出了SDZ可能的降解路径。通过ECOSAR软件预测及小麦种子发芽实验对NPBC/PMS体系处理后的SDZ生物毒性进行了评估。

作者介绍

刘湘，副教授，硕士生导师，入选斯坦福大学2023年度“全球前2%顶尖科学家榜单”，湖北省“楚天学子”，湖北省“高等学校优秀中青年科技创新团队”负责人。2017年11月受聘于三峡大学全职工作，一直从事环境功能纳米材料的制备及其在污水治理和析氢等领域的基础研究。目前以第一作者或通信作者在Nat. Commun.; Adv. Mater.; Appl. Catal. B: Environ.; Chem. Eng. J.; ACS Catal.; Chem. Sci.;等国内外主流学术期刊上发表SCI收录论文100多篇，其中ESI高被引论文5篇。同时授权发明专利16项。目前担任《Advanced Powder Materials》、《矿物冶金与材料学报(英文版)》等杂志青年编委。

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