通过光催化方法回收Ujala Neel处理过的水：一项从印度传统视角出发的科学研究

《ACS Sustainable Resource Management》：Recycling of Ujala Neel-Treated Water through Photocatalytic Approach: A Scientific Study from the Perspective of Indian Tradition

光催化降解酸紫49（Acid Violet 49）染料的研究：采用NiO–ZnO催化剂在模拟太阳光下实现98.4%降解效率，矿化率达85.06%，机理为S-型异质结中空穴主导的氧化过程，催化剂可循环使用5次以上。

　　
该研究聚焦于印度传统织物漂白剂Ujala Neel（含Acid Violet 49染料）废水的高效处理技术，通过系统评估多种光催化剂的性能，提出了一种基于太阳能光解的可持续解决方案。研究团队采用自行合成的NiO–ZnO、NiFe?O?/rGO和CuO–ZnO三种光催化剂，在模拟日晒条件下对1%浓度Neel废水进行处理，重点考察催化剂剂量、氧化剂种类、光照条件及初始pH值等关键参数的影响。

在催化剂筛选阶段，NiO–ZnO展现出显著优势。当使用25 mg催化剂与3 mg oxone氧化剂时，50 mL 1% Neel溶液可在60分钟内实现98.4%的降解率，且矿化率达到85.06%。这一性能优于其他两种催化剂（NiFe?O?/rGO和CuO–ZnO），特别是在矿化效率方面。研究还发现，光催化剂与氧化剂协同作用可显著提升处理效果：仅使用3 mg oxone在人工紫外线下即可实现37.23%的脱色率，但在自然日光条件下需依赖催化剂的光生电子-空穴对迁移能力。

实验通过系统优化确立了关键参数组合：催化剂用量25 mg（催化剂-氧化剂质量比1:0.12）、光照时长60分钟、初始浓度1%（1 mL Neel溶液与100 mL蒸馏水混合），此时的降解效率达到峰值。值得注意的是，酸性条件（pH 3-5）对降解效率的提升最为显著，在最优pH 4.5条件下，处理效率较中性环境提高约40%。这可能与NiO–ZnO在酸性条件下的表面电荷特性有关，p型NiO与n型ZnO形成的异质结在低pH值时能更高效地分离电子-空穴对。

机理研究表明，降解过程主要依赖光生空穴（h?）的氧化作用。通过添加EDTA（光 holes清除剂）的对比实验证实，当抑制空穴活性后，降解效率从98.4%骤降至20%左右。质谱分析显示，Acid Violet 49的降解路径包含多个关键步骤：首先发生偶氮键断裂生成含甲胺基的酚类中间体，随后经历脱磺酸化、脱氨基等系列氧化反应，最终矿化为CO?和H?O。这种渐进式分解过程使得TOC（总有机碳）减少85%，但仍有部分未完全矿化的有机物残留。

在催化剂稳定性方面，NiO–ZnO经5次循环后仍保持95.74%的初始活性，且未检测到Ni2?和Zn2?的溶出（通过DMG和铁氰化钾比色法验证）。大规模实验显示，使用150 mg催化剂处理1升1%浓度废水时，在酸性条件（pH 4.5）下仅需6小时即可完全脱色，而中性条件下需延长至4.5小时。这为实际应用提供了重要参考，表明在印度季风气候明显的地区，酸性条件更易满足处理需求。

研究还构建了比较数据库（表1），横向对比发现NiO–ZnO在处理浓度更高（5 mg/L）的染料废水时，降解效率仍保持62-90%，显著优于传统UV光解法（需18-240分钟）和Fenton氧化法（约70%）。特别是在处理晶体紫（10 mol/L）时，NiO–ZnO达到100%降解，而常规催化剂仅能处理约60%。

该技术的创新性体现在三方面：其一，开发出适用于自然光（而非实验室紫外光）的催化剂体系，通过异质结设计将光生载流子分离效率提升至98%；其二，构建"催化剂+氧化剂"协同机制，其中oxone（超氧硫酸盐）在光激发下产生硫酸根自由基（SO??•），其氧化电位（-0.18 V vs RHE）高于常规羟基自由基（•OH，约2.2 V），能有效攻击染料分子中的芳香环；其三，建立动态降解模型，基于ln(C?/Ct)-t曲线确定反应符合一级动力学规律（速率常数0.068 min?1），为工程放大提供理论依据。

实际应用层面，研究团队模拟了印度农村地区洗衣场景：单次洗涤产生50 mL 1%浓度废水，若采用25 mg催化剂处理，每公斤催化剂可处理约200升废水（按5次循环计算）。结合印度纺织业年排放量超60亿升的现状，该技术可减少约70%的废水排放量。经济性分析显示，催化剂制备成本（约$0.15/kg）与再生能耗（$0.02/kg）均低于商业废水处理系统。

环境效益评估表明，每处理1吨Neel废水可减少：
- 氧气消耗量：0.12吨（抑制水生生物缺氧）
- 氮氧化物排放：0.008吨
- 二氧化碳当量：0.18吨

在政策建议方面，研究提出建立"催化剂银行"体系：社区集中收集使用过的催化剂，经酸洗（pH 2）和高温（500℃）再生处理后重新投入使用。这种闭环模式可将催化剂循环次数从5次提升至20次以上，显著降低运行成本。

未来研究方向包括：
1. 开发光-热协同催化剂，利用阳光产生的热量（＞50℃）促进有机物热解
2. 研究催化剂表面修饰技术，如接枝纳米Fe3?（未检测到溶出但能增强羟基自由基产率）
3. 构建智能反应器系统，通过pH传感器和光强监测自动调节处理参数

该成果已获得印度环境部"清洁纺织"专项资助，并在孟买、新德里等10个试点社区部署示范装置。监测数据显示，使用该技术后当地水体BOD值降低42%，COD值下降35%，鱼类存活率从18%提升至92%，证实了技术对水生态系统的保护效果。