芬顿法制备的铁用于海藻酸盐网络的可逆自组装：一种实现抗生素降解和微塑料去除的可持续策略

本研究开发了一种可持续策略，利用Fenton反应副产铁离子与海藻酸钠形成可逆凝胶网络，高效去除并回收水体中的抗生素与微塑料，推动循环资源管理。

　　

李佩琳|白天斌|李天明|刘彦龙|宋楠熙|崔艺文|郑彦

中国甘肃省环境污染预测与控制重点实验室，兰州大学地球与环境科学学院，兰州730000

摘要

水环境中抗生素和微塑料（MPs）的同时存在给水处理带来了重大挑战，因为传统方法主要遵循“去除-处置”的框架。在这里，我们提出了一种可持续策略，即重新利用芬顿反应产生的铁副产物来创建功能性协调中心以管理微塑料。新开发的藻酸盐-芬顿智能分离（AFSS）系统利用原位生成的Fe³⁺（通常被认为是芬顿过程的废物），将海藻酸钠交联形成三维网络，从而有效封装微塑料，而无需额外化学物质。通过使用生物相容性的抗坏血酸实现的可逆性，使得微塑料的可控释放成为可能，在常温条件下回收效率可达86%。AFSS系统在多种环境水体中表现出一致的性能，能够高效降解抗生素并保持对多种类型微塑料的去除率超过97%。这项工作建立了一种可持续的方法，将剩余的铁转化为可重复使用的资源，用于捕获和回收微塑料，从而推动水处理向循环资源管理方向发展。

引言

抗生素和微塑料（MPs）在水生系统中的频繁共存给水处理带来了重大挑战，因为现有技术通常通过独立的线性过程来处理这些污染物。传统方法包括使用高级氧化技术降解抗生素，以及通过混凝或吸附去除微塑料，这导致资源密集型操作并产生多种废物流（Stapleton等人，2023年；Wang等人，2021a年；Zhou等人，2025年）。例如，经典的芬顿过程通过生成羟基自由基有效降解难降解的有机物，但它会产生难以处理的含铁污泥（Jiang等人，2022年；Zhang，2021年）。同时，用于去除微塑料的成熟方法，如使用金属盐或聚合物絮凝剂，主要依赖于不可逆的机制，将微塑料从水中转移到固体污泥中（Abujazar等人，2022年；Ho等人，2025年；Zhou等人，2021年）。这会产生复合废物，其中微塑料被永久固定，随后的污泥管理可能会导致塑料碎片的长期释放（Monira等人，2021年；Teh等人，2016年；Wei等人，2018年）。

最近的研究试图改进这些线性过程。改进的芬顿系统，包括异质芬顿（Liang等人，2024年；Wang等人，2025a年）、电芬顿（Brillas，2022年；Zeng等人，2026年）和光芬顿（Lian等人，2024年）过程，旨在提高催化剂稳定性和/或减少污泥产生。为了捕获微塑料，开发了先进的吸附剂，如工程气凝胶和功能化生物炭，以增加吸附能力（Li等人，2025年；Lotfigolsefidi等人，2025年）。然而，这些发展往往在材料合成复杂性、成本和可扩展性方面存在权衡（Feng等人，2025年）。此外，这些策略仍然侧重于不可逆的污染物隔离。它们并未设计用于回收捕获的微塑料或再生涉及的试剂，因此保持了线性的资源流动（Cui等人，2024年；Ma等人，2025年；Yang等人，2025年）。这种线性范式的一个显著缺点是缺乏能够同时降解可溶性污染物和回收颗粒污染物的集成过程。填补这一空白需要朝着可逆隔离系统的基本转变，在这种系统中，捕获的物质可以通过外部化学或物理触发器按需释放。这将实现资源回收，并使我们超越单纯的相转移。

为了弥合这一差距，我们提出了一种策略，即利用一个过程的副产物作为另一个过程中的功能性试剂。具体来说，我们研究了利用原位生成的Fe³⁺（通常是芬顿反应的最终废物）作为化学交联剂，组装一个可逆的生物聚合物网络来管理微塑料。我们介绍了藻酸盐-芬顿智能分离（AFSS）系统，该系统基于Fe³⁺/Fe²⁺氧化还原循环运作。首先，芬顿反应降解抗生素并产生Fe³⁺离子，这些离子吸附在微塑料表面。其次，加入海藻酸钠（SA），通过羧基与表面结合的Fe³⁺反应，形成交联凝胶，封装微塑料。第三，引入抗坏血酸（AA）将Fe³⁺还原为Fe²⁺，削弱配位键并溶解凝胶以释放微塑料。

本研究系统优化了AFSS系统的操作参数，评估了其在去除各种类型微塑料方面的性能，并研究了水基质中关键成分的影响。通过实验分析和密度泛函理论（DFT）计算阐明了潜在机制。此外，通过AA介导的还原步骤展示了微塑料的可控释放和回收。该AFSS系统将芬顿反应与随后的可逆隔离步骤联系起来，将线性废物流转化为循环处理过程的资源。

材料与试剂

本研究使用的主要化学品包括氯霉素（CAP）、海藻酸钠（SA）、硫酸亚铁、抗坏血酸（AA）、30% H₂O₂、腐殖酸（HA）、阳离子和阴离子聚丙烯酰胺（分别标记为CPAM和APAM）以及各种盐类（例如硫酸钠、氯化钠）。所有试剂的详细规格列在表S1中。微塑料包括聚苯乙烯（PS）、聚氯乙烯（PVC）、聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）。

反应条件优化

尽管微塑料对CAP有一定的吸附能力，但在本研究中，这一因素在μg/g水平上并不显著（图S2）。同时，在0.2 mmol/L Fe²⁺和2 mmol/L H₂O₂的条件下，超过99%的CAP被去除（图S3）。更高的Fe²⁺和H₂O₂浓度并未显著提高CAP的去除率。当Fe²⁺浓度超过0.8 mmol/L时，去除效率略有下降。此外，过量的H₂O₂和Fe²⁺会引起担忧

结论

本研究开发了一种先进的AFSS系统，能够同时降解抗生素和隔离微塑料。该系统在去除多种微塑料方面表现出稳健的性能，对于300 nm PS的去除率为99.09%，500 nm PS为99.07%，老化后的500 nm PS为99.73%，1 μm PS为99.35%，50 μm PMMA为97.84%，老化后的50 μm PMMA为98.12%。虽然像PE（85.01%）和PP（75.35%）这样的浮性聚合物的隔离效果相对较低，但CAP的降解效果始终一致

CRediT作者贡献声明

李佩琳：撰写——初稿、方法论、调查、形式分析、数据管理。白天斌：验证、方法论、调查、形式分析。李天明：验证、形式分析。刘彦龙：软件、方法论。宋楠熙：验证。崔艺文：验证。郑彦：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化、监督、项目管理、方法论、资金获取、形式分析、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（编号：22178156）、兰州科技计划项目（编号：2025-2-138）、中央高校基本科研业务费（编号：lzujbky-2023-ct03）以及兰州大学超级计算中心的支持。