北京科技大学李子富、敖秀玮团队ES&T：222 nm Far-UVC照射促进硝酸盐降解磺胺甲恶唑——活性氮的作用

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成果简介

近日， 北京科技大学能源与环境工程学院 李子富教授和 敖秀玮 副教授团队在环境领域著名学术期刊 Environmental Science & Technology 上发表了题为“ Nitrate Enhanced Sulfamethoxazole Degradation by 222 nm Far-UVC Irradiation: Role of Reactive Nitrogen Species ”的论文 。该工作首次研究了在 222 nm 远紫外（ far-UVC ）辐照下，硝酸盐（ NO ₃ ⁻ ）对磺胺甲恶唑（ SMX ）光降解的影响，揭示了活性氮物种（ RNS ）在其中的关键作用，为指导利用 222 nm far-UVC 处理含 NO ₃ ⁻ 水体中的抗生素提供了有价值的见解 。

基于氯化氪（ KrCl* ）准分子灯的远紫外线技术已成为一种有前途的水处理技术。与传统汞灯相比， KrCl* 准分子灯的预热时间更短，光子辐照能量更高，对暴露的人体组织和眼睛的损伤最小。重要的是，它不含汞，因此更加环保，具有良好的应用前景。目前， 222 nm far-UVC 已被研究用于水消毒，其消毒效果与 254 nm 紫外线相当。相对而言，将 222 nm far-UVC 用于降解水中有机微污染物（ OMPs ）的研究较少，仅围绕对 OMPs 去除的效能开展，对 OMPs 去除机理的探索尚显不足。此外，将 222 nm far-UVC 用于 OMPs 降解的另一个重要问题是水基质的影响，尤其是硝酸盐（ NO ₃ ⁻ ）。 NO ₃ ⁻ 在短波长紫外光下具有显著吸收。一方面， NO ₃ ⁻ 可能在 222 nm 辐照下与 OMPs 或自由基前体竞争紫外线光子，从而抑制 OMPs 的降解。另一方面， NO ₃ ⁻ 也可能在 222 nm 辐照下发生光解，产生活性氧物种（ ROS ）和活性氮物种（ RNS ），促进 OMPs 的降解。总之， NO ₃ ⁻ 的复杂行为使其对 222 nm far-UVC 系统的影响变得更加重要。然而，目前有关 NO ₃ ⁻ 在 222 nm far-UVC 系统中所产生影响的知识仍相当有限，尤其是 NO ₃ ⁻ 在 222 nm 波长 下产生的 RNS 对 OMPs 降解的作用尚不清楚。因此，本研究以磺胺甲恶唑（ SMX ）为目标化合物，系统地探讨了 NO ₃ ⁻ 对 222 nm far-UVC 降解 SMX 的影响，并提出了 SMX 在 222 nm far-UVC 下的转化机理 。

图文导读

NO ₃ ⁻ 对 SMX 降解效能的影响

图 1 ：不同浓度的 NO ₃ ⁻ 对 SMX 在 222 nm far-UVC 照射下降解的影响：（ a ） pH = 3 和（ b ） pH = 7 。

在 222 nm far-UVC 系统中， pH = 3 时，在相对较低的紫外剂量（ 200 cm ² ·mJ ⁻¹ ）下 SMX 被完全光降解（ = 0.02354 ± 0.00020 cm ² ·mJ ⁻¹ ），而在 pH = 7 时（ = 0.01007 ± 0.00001 cm ² ·mJ ⁻¹ ）， SMX 的去除率为 86.8% 。这意味着中性态的 SMX 比去质子化的 SMX 更容易在 222 nm far-UVC 辐照下降解。在 222 nm far-UVC /NO ₃ ⁻ 系统中， SMX 的降解效果明显优于在 222 nm far-UVC 系统中的效果。随着 NO ₃ ⁻ 浓度的增加， NO ₃ ⁻ 对 SMX 降解的促进作用更加明显。此外，值得注意的是，在 NO ₃ ⁻ 存在的情况下， SMX 在 pH = 7 时的反应速率常数比 pH = 3 时增加得更快 。

NO ₃ ⁻ 对活性物种作用的影响

图 2 ：在不同 NO ₃ ⁻ 浓度下，直接光解、 • OH 和 RNS 对 SMX 在 222 nm far-UVC 下降解的贡献：（ a ） pH = 3 和（ b ） pH = 7 。

随着 NO ₃ ⁻ 浓度的增加， pH=3 （从 37.1% 增加到 45.0% ）和 pH=7 （从 26.3% 增加到 60.8% ）条件下活性物种的总体贡献率都在增加（ p < 0.05 ），但 •OH 和 RNS 的贡献率趋势是不同的。在 pH 值为 3 时，当 NO ₃ ⁻ 浓度为 5 mg·L ⁻¹ 时， RNS （ 25.7% ）对 SMX 降解的贡献大于 •OH （ 11.4% ）。当 NO ₃ ⁻ 浓度进一步增加到 20 mg·L ⁻¹ 时， •OH 的贡献增加到 36.4% ，因此， •OH 成为导致 SMX 降解的主要反应物。然而， NO ₃ ⁻ 浓度越高， RNS 对 SMX 降解的贡献率就越低 。

在 pH 值为 7 时，随着 NO ₃ ⁻ 浓度的增加，观察到 •OH 和 RNS 对 SMX 降解的总贡献比 pH 值为 3 时增加得更多。有趣的是，与 pH 值为 3 时的结果相反，在 pH 值为 7 时，随着 NO ₃ ⁻ 浓度的增加， RNS 的贡献率显著增加：当 NO ₃ ⁻ 浓度为 5 mg·L ⁻¹ 时， RNS 的贡献率仅为 1.5% ，而当 NO ₃ ⁻ 浓度为 20 mg·L ⁻¹ 时， RNS 的贡献率显著增加到 24.7% 。

NO ₃ ⁻ 对 SMX 转化产物的影响

图 3 ： SMX 转化产物的相对峰面积： （ a ） 222 nm f ar-UVC, pH = 3 ；（ b ） 222 nm far-UVC, pH = 7 ；（ c ） 222 nm far-UVC/NO ₃ ⁻ , pH = 3 和（ d ） 222 nm far-UVC/NO ₃ ⁻ , pH = 7 。