摘要
作为水环境中常见的一类微污染物，磺胺类抗生素因其使用广泛、水溶性较强和潜在的安全风险而被广泛研究和报道。为有效控制磺胺类抗生素污染、克服悬浮催化剂难回收的缺点，本文将氮掺杂石墨烯（NG）、还原氧化石墨烯（rGO）和碳纳米管（CNT）等量负载于微滤膜表面，构建了NG/rGO/CNT复合膜原位催化氧化体系，利用功能碳层对过硫酸盐（PS）的活化作用，降解水中的微量磺胺甲恶唑（SMX）。基于碳层微观结构表征、表面基团测定和出水生物抑制性评价，对碳材料负载量和PS投加量等原位催化氧化体系的主要操作条件进行了优化。通过系统考察pH值、背景有机物和氯离子浓度等溶液环境对原位催化氧化体系处理效能的影响，并以rGO/CNT复合膜为参照，进一步阐述了NG/rGO/CNT复合膜体系的反应特征。 研究结果表明，与rGO/CNT复合膜相比，NG/rGO/CNT碳层结构更加蓬松，层间过水空间更大，基团C/O比更高，表面疏水性更强，这使得后者具有好的透水性能，过滤比阻rc降低约80%。此外，NG/rGO/CNT碳层表面含有更多的Lewis碱性基团和含氮官能团，其对PS的活化能力也更强。当碳材料负载量8g·m-2、PS投加量为5mmol·L-1时，NG/rGO/CNT复合膜体系在连续过滤条件下，对500μg·L-1SMX的去除率稳定在94%左右，远高于rGO/CNT的77%，且出水生物抑制性和过滤操作压力分别比后者降低约58%和40%。这意味着NG/rGO/CNT复合膜体系对SMX分子结构的降解程度更加彻底。在权衡目标物去除效果、化学剂用量和操作能耗等因素，NG/rGO/CNT复合膜体系中适宜的PS投加量可降至2mmol·L-1。连续和循环过滤实验都表明，原位催化氧化在中性pH条件下具有最佳的SMX去除效率，此时，自由基反应和表面络合氧化均发挥了重要作用。对于背景有机物而言，小分子富里酸的干扰表现为与SMX竞争自由基等强氧化剂，而大分子单宁酸更倾向于掩蔽碳纳米材料表面的活性位点。此外，氯离子对复合膜体系处理效能的负面影响与其浓度水平密切相关。 综上所述，NG/rGO/CNT复合膜体系将膜分离作为过程载体，充分利用了PS在碳层表面的催化氧化功能，实现了对水中微量SMX的高效降解。针对该体系操作条件和环境因素影响的相关研究，将为原位催化氧化法在水体微污染物控制中的应用提供理论支撑。
NETL