超声/过硫酸盐/CuO-Fe3O4协同降解水中阿莫西林的效能与机制研究

针对抗生素污染水体治理难题，伊朗阿尔达比尔医科大学团队创新性地采用US/PS/CuO-Fe3O4耦合工艺降解阿莫西林(AMX)。研究通过Box-Behnken设计优化参数，证实酸性条件(pH=3.3)下60分钟可实现98.1%的AMX去除率，COD和TOC去除率分别达73%和65%，为抗生素废水处理提供了高效绿色的解决方案。

　　

抗生素污染已成为全球水环境治理的严峻挑战。作为用量最大的β-内酰胺类抗生素，阿莫西林(AMX)在人体内代谢率仅30-70%，大量未降解药物通过排泄物进入水体，医院废水中浓度高达82.7 mg/L。传统生物处理法因AMX的萘酚环结构难以有效降解，而物理吸附仅实现污染物相转移。面对这一困境，伊朗阿尔达比尔医科大学公共卫生学院环境健康工程系的Seyed Behzad Nazari团队在《Heliyon》发表研究，创新性地将超声(US)、过硫酸盐(PS)与磁性CuO-Fe₃O₄纳米催化剂耦合，建立了高效降解AMX的新型高级氧化体系。

研究采用绿色合成法制备CuO-Fe₃O₄纳米复合材料，通过BET、VSM等技术表征其34.43 m²/g的比表面积和13.53 emu/g磁饱和强度；运用Box-Behnken设计优化五因素（pH、催化剂剂量等）；利用DR5000分光光度计监测AMX降解动力学；结合COD/TOC分析评估矿化程度。

3.1 纳米材料特性

FE-SEM显示CuO呈均匀球形，Fe₃O₄成功包覆形成粗糙表面（图3）。XRD在35.88°和54.1°出现特征峰（图6），证实Fe₃O₄与CuO的复合结构。VSM证明材料具备磁分离特性（图5），FTIR在577 cm^-1处检出Fe-O键（图2）。

3.6 pH与浓度效应

酸性环境(pH=3)最利于SO₄^•-生成，AMX降解率达96.34%（图9）。当浓度>13 mg/L时，AMX分子会占据催化剂活性位点，导致效率下降。

3.7 氧化剂与催化剂

PS浓度0.67 g/L时最优（图10），其分解产生的SO₄^•-具有2.6 V氧化电位。CuO-Fe₃O₄剂量0.7 g/L提供最大催化表面，超声空化效应促进自由基生成。

3.9 时间动力学

60分钟接触使效率最大化（图11），一级动力学模型R²=0.98（图12b）。协同实验显示US/PS/CuO-Fe₃O₄组合效率(98.1%)远超单一处理（图13）。

3.12 矿化与实用验证

AOS指数升至2.8表明可生化性改善。实际废水测试效率降至76%，提示复杂基质的影响。

该研究证实US/PS/CuO-Fe₃O₄体系能高效降解AMX，磁性催化剂可快速回收。突破性发现酸性条件下SO₄^•-主导的氧化机制，为抗生素废水处理提供新范式。未来研究可探索实际水体中天然有机质的影响及催化剂循环稳定性。