污泥生物炭自掺杂吸附态磷活化过一硫酸盐降解抗生素：非共价键驱动的非自由基机制

本研究创新性地利用水体吸附磷自掺杂制备污泥生物炭(PSBC)，通过水热法高效活化过一硫酸盐(PMS)降解抗生素。该系统60分钟内对磺胺甲恶唑(SMX)去除率达99.9%，揭示了C=O、含磷基团和缺陷结构作为关键催化位点，证实1O2、表面束缚自由基和直接电子转移(DET)为主导机制，为水体抗生素污染治理提供了低成本解决方案。

　　

亮点

• 首创以吸附磷饱和的生物炭为前驱体制备自掺杂催化剂

• PSBC/PMS系统展现超强抗生素降解能力（SMX去除率99.9%）

• 首次揭示含磷基团与缺陷结构协同激活PMS的分子机制

材料与方法

实验选用玉米秸秆、木屑等六种生物质与市政污泥制备原始生物炭，通过磷酸盐吸附实验筛选出污泥生物炭(SBC)作为最佳磷载体（吸附量65.95 mg/g）。采用水热法将磷饱和的SBC转化为磷自掺杂催化剂(PSBC)，并通过XPS、拉曼光谱等证实其独特的P-C=O键和sp²杂化缺陷结构。

催化机制解析

通过淬灭实验和原位拉曼证实：

1）单线态氧(¹O₂)贡献率高达62%

2）表面束缚SO₄^•?/•OH通过"电子穿梭"效应参与反应

3）直接电子转移(DET)路径占28%

电化学测试显示PSBC的电子转移电阻降低67%，证实其卓越的电子传导能力。

环境应用价值

• 五轮循环后仍保持63.5%的SMX降解率

• 在真实水体（河水/污水）中去除率超85%

• 降解中间体毒性较母体化合物降低4-8倍

密度泛函理论(DFT)计算揭示SMX主要通过哌嗪环裂解（路径I）和S-N键断裂（路径II）发生转化。

结论

该研究开创了"以废治废"新策略，不仅实现水体磷资源化利用，还为抗生素污染控制提供了具有实际应用潜力的解决方案。PSBC催化剂在复杂环境基质中表现出的强抗干扰性，使其在污水处理厂尾水深度处理领域具有广阔前景。