在旋转填充床反应器中结合等离子体降解阿特拉津：工艺评估与优化策略

《Chinese Journal of Chemical Engineering》：Atrazine degradation in a rotating packed bed reactor integrated with plasma: Process evaluation and optimization strategy

本研究采用旋转床反应器耦合等离子体（plasma-RPB）技术降解 atrazine（ATZ），优化旋转速度（400 r/min）和放电功率（80 W）显著提升降解效率（达99%），并揭示硫酸根、氯离子和铜离子具有抑制效应，而碳酸根影响较小。通过引入过硫酸盐（PMS）强化策略，有效克服水质干扰，实现工业废水快速处理（20分钟内总有机碳去除率90%）。

　　

韩卓旭|陶丁|庄亮|闫斌莉|楚光文|陈建峰

北京化工大学有机-无机复合材料国家重点实验室，北京100029，中国

摘要

阿特拉津（ATZ）是一种在农作物中广泛使用的神经性除草剂。由于其三嗪结构，阿特拉津具有很强的耐久性且难以降解，对环境和健康构成严重威胁。本研究采用了一种结合了等离子体的旋转填充床反应器（plasma-RPB）来降解阿特拉津，并系统评估了操作条件和典型水基质成分的影响。结果表明，提高旋转速度和放电功率可以增强降解效率，而较高的初始阿特拉津浓度则会抑制其去除效果。在常见的水基质离子中，SO₄^2–和Cl^-表现出抑制作用，Cu²⁺显著抑制了降解过程，而CO₃^2–的影响较小。超高效液相色谱-质谱分析显示，阿特拉津主要通过脱烷基化和羟基取代作用进行降解，最终生成氰尿酸并发生环开裂。为了提高系统对抑制性水基质的耐受性，研究了过一硫酸盐（PMS）的强化作用。利用等离子体环境中的多种活化途径，PMS被有效激活以生成额外的硫酸根自由基。在优化条件下，实际工业废水的降解效率和总有机碳去除率分别在20分钟内达到了99%和90%。本研究强调了等离子体-RPB技术，尤其是在与PMS协同使用时，作为处理农药废水的一种有前景的方法。

引言

农业生产过程中消耗了大量的化学肥料和农药等农业化学品，导致严重的环境污染[1]、[2]。阿特拉津作为一种三嗪类神经性除草剂，因其高效性而被广泛使用[3]、[4]。然而，其大量应用导致其在农药厂废水中的频繁检出[5]。此外，阿特拉津是一种内分泌干扰物，可能对免疫系统和神经系统造成危害[6]。由于其三嗪分子结构，阿特拉津难以分解，因此开发高效的阿特拉津污染废水处理方法成为当务之急[7]。

阿特拉津的常见降解方法包括生物处理、化学氧化和光催化降解[8]。赵等人[9]利用假单胞菌和节杆菌生物降解阿特拉津，43天后阿特拉津浓度降至阈值以下。叶等人[10]设计了一种用于废水处理的臭氧催化剂，10 mg·L^–1浓度的阿特拉津在180分钟内的降解效率达到93.9%。使用TiO₂、ZnO、Bi基氧化物等催化剂的光催化降解也已有广泛报道[11]、[12]。尽管这些方法有效，但通常需要较长的反应时间，并可能产生二次污染，限制了其在高流量和高浓度农药厂废水中的应用[13]。

与传统方法相比，等离子体技术在废水处理中受到越来越多的关注[14]、[15]。等离子体装置产生的大量活性成分能够有效降解目标污染物而不产生二次污染[16]、[17]。多种等离子体配置（如微波等离子体系统）已被用于污染物降解，展示了基于等离子体的方法的多功能性[18]、[19]。在我们之前的研究中，庄亮等人[20]开发了一种结合了等离子体（plasma-RPB）反应器的新型旋转填充床反应器，通过离心场增强活性物种的生成[21]。该设计能够快速降解高浓度农药废水，从而减少污染物向自然水体的排放。然而，现有的等离子体-RPB研究主要针对理想的水质条件，而工业废水中含有碳酸盐、氯化物、硫酸盐和重金属等复杂离子[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]。此外，等离子体-RPB处理下农药污染物的降解途径和中间体仍需进一步研究。

本研究采用等离子体-RPB技术降解阿特拉津，探讨了操作参数（包括旋转速度、放电功率和初始阿特拉津浓度）对降解效率的影响，以评估等离子体-RPB的降解性能。同时，还研究了水质（包括离子、pH值和电导率）对降解过程的影响，以确定其适用范围。通过超高效液相色谱-质谱（UPLC-MS）分析了降解途径，并评估了过一硫酸盐（PMS）的强化效果。最后，将优化后的策略应用于实际工业废水处理，并与其他降解方法进行了全面比较，以评估其应用潜力。

实验材料

阿特拉津（≥96%）、Na₂SO₄、NaCl、Na₂CO₃、CuNO₃、NaNO₃、NaH₂PO₄、CH₃CH₂OH（用于HPLC）和过一硫酸盐（PMS）均从中国McLean Reagent Co., LTD.购买。氧气（纯度99.5%）从中国北京顺安启特气体有限公司订购。所有实验均使用去离子水。

等离子体-RPB

图1展示了等离子体-RPB的示意图[20]。它由两部分组成：一个介电屏障放电等离子体反应器（带有网状电极的圆柱形石英管，由等离子体驱动）

操作参数的影响

图3显示了旋转速度（N）对降解效率（η）的影响。随着N的增加，η值先上升后下降。当N从0增加到400 r·min^–1时，降解效率显著提高，30分钟后接近80%。这种提升归因于气体-液体传质的增强以及较高离心力下形成的更薄的液膜，从而增加了活性物种与阿特拉津的接触面积

结论

本研究采用结合了等离子体（plasma-RPB）的旋转填充床反应器高效降解阿特拉津。首先阐明了操作条件对降解效率的影响：旋转速度（400 r·min^–1）和放电功率（80 W）显著提高了降解效率，而较高的初始阿特拉津浓度则降低了去除效率。随后，研究了水质对降解过程的影响，发现SO₄^2-、Cl^-和Cu²⁺对阿特拉津的降解具有抑制作用

作者贡献声明

韩卓旭：撰写——初稿、方法论、实验设计。陶丁：撰写——审阅与编辑、方法论、概念构思。闫斌莉：撰写——审阅与编辑、概念构思。庄亮：撰写——审阅与编辑、数据管理。陈建峰：撰写——审阅与编辑、监督。楚光文：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号22288102和22408013）、中国博士后科学基金（编号2025M771144）以及中国博士后科学基金博士后奖学金计划（编号GZC20250779）的支持