分相N-TiO?–N-TiO?@SWCNT/PET复合织物在工业废水处理及潜在跨领域碳封存中的应用

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Partitioned N-TiO 2–N-TiO 2@SWCNT/PET Composite Fabric for Industrial Wastewater Habitat Reconstruction and Potential Cross-Niche Carbon Sequestration

光催化纺织材料处理工业废水及促进水生植物生长的机制研究。采用微波水热合成制备N-TiO?-SWCNTs/PET复合材料，证实其生成羟基自由基、单线态氧及超氧阴离子，降解污染物效率达80%。材料表面超亲水性促进微生物富集，激活KEGG代谢通路，提升植物光合性能（Rubisco活性下降11.4%，Fv/Fm减少5.2%）。微生物重构是主要驱动因素（PLS-PM R2=0.984），但规模化应用需评估稳定性和工业风险。

　　

Jian Qiu|Yang Hu|Ying Chen|Shilong Li|Yudong Yuan|Bin Chen|Ping Shi|Jianfa Zhao|Wenheng Jing|Wei Zhou|Yuan Bai|Lele Cui|Tianxiang Yu|Dong Zou|Liang Xu

中国南京工业大学化学工程学院材料导向化学工程国家重点实验室，南京211816

摘要

水生植被有助于减缓碳排放，但常常受到工业废水的污染。本研究采用“光催化介导的栖息地重建”策略，通过微波辅助水热合成和固定化方法，制备了一种基于锐钛矿/纤锌矿混合相N-TiO₂的光催化聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）纺织品，用于实际工业废水处理。部分N-TiO₂与单壁碳纳米管（SWCNTs）复合，其余部分直接负载在纺织品上，形成了不同的功能区域。利用电子顺磁共振（EPR）技术证实了羟基自由基（·OH）、单线态氧（¹O₂）和超氧阴离子（O₂·^-）的存在，表明生成了三种不同的活性氧（ROS）。N-TiO₂上生成的O₂·^-可能与N-TiO₂@SWCNT中的空穴反应，生成¹O₂，两者共同构成了一个强-弱氧化体系。该体系能够降解污染物，3D-EEM荧光强度降低了80%，E₄/E₆比值降低了53.34%，改善了水的光学和氧化还原性质。超亲水表面促进了织物生物膜中Pseudomonadota和Pannonibacter的生长，上调了K00500/K00384基因表达，并激活了京都基因组百科全书（KEGG）中的相关通路（ko00908、ko00440、ko00791）。预处理后的微生物进入植物系统，可能改变了叶片相关的微环境，促进了物质在各个 compartment 之间的转移。Ceratophyllum demersum的茎长和干重分别增加了2.87倍和1.84倍，Rubisco酶活性下降幅度较小（11.4% vs 34.0%），F_v/F_m还原率也有所降低（5.2% vs 37.9%）。PLS-PM分析表明微生物重组是主要驱动因素（0.984）。光催化可能通过跨生态位途径间接促进植物生长，但具体机制仍需验证。该研究为实现废水处理和碳中和提供了材料和机制上的参考，有助于构建光催化生态修复项目。

章节摘录

引言

水生植被在减少温室气体排放[1]、维持生态系统稳定性[2]以及作为清洁能源生产的潜在原料[3]方面发挥着重要作用。然而，近年来随着工业化和经济的快速发展，工业废水的排放量显著增加，对水生植物的生长造成了严重影响，在某些情况下甚至导致植物直接死亡[4]。

化学与材料

相关化学和材料信息见补充材料（Text S1）。

TC光催化剂的制备

氮掺杂二氧化钛材料的制备方法参照文献[34]进行：使用市售的P25作为前驱体，通过水热法制备了钛酸钾纳米线。标准制备过程中，2.0克P25均匀分散在80毫升10.0摩尔/升的KOH溶液中，然后将混合物放入100毫升PTFE衬里的不锈钢高压釜中。

TC材料的结构设计

图2a显示了最佳TC复合材料、N-TiO₂和单壁碳纳米管（SWCNTs）的X射线衍射（XRD）谱图。N-TiO₂主要由锐钛矿和纤锌矿组成，衍射峰分别位于25.33°、37.07°、47.99°、53.89°、54.11°、62.76°和75.91°，对应于锐钛矿（PDF编号00-021-1272）；25.30°、36.22°、40.15°、42.43°、55.34°和66.00°的峰则对应于纤锌矿（PDF编号00-029-1360）。TC复合材料中也包含这两种相。

结论

为了支持工业废水中的水生生物生长，本研究将生态修复与处理技术相结合，提出了“光催化介导的栖息地重建”策略。利用SWCNTs的高载流子迁移率和N-TiO₂的生物相容性，通过微波水热合成制备了一种环保的N-TiO₂–N-TiO₂@SWCNT/PET纺织品，并验证了其物理、化学和生物安全性。我们设计了...

研究局限性与展望

本研究使用的废水属于腐殖质类型，污染程度较低，尚未针对电镀和光伏废水等高污染废水进行测试。若污染物负荷增加，可能需要提高光催化剂的氧化能力，这可能会对植物和微生物造成氧化应激。因此，后续研究需在生态安全性和材料处理能力之间找到平衡。

手稿准备过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在撰写过程中，作者使用了腾讯云宝工具来修改句子结构和语法。使用该工具后，作者对内容进行了必要的审查和编辑，并对发表文章的内容负全责。

作者贡献声明

Ying Chen：方法学研究、数据分析。 Liang Xu：资源获取。 Shilong Li：方法学研究、数据分析。 Yudong Yuan：方法学研究、数据分析。 Dong Zou：资源获取。 Jianfa Zhao：资源获取、写作与编辑、监督、资金申请、概念构思。 Bin Chen：数据分析。 Ping Shi：数据可视化。 Lele Cui：方法学研究。 Jian Qiu：写作与编辑、原始稿撰写、数据可视化、方法学研究、资金申请。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的利益冲突或个人关系。

补充数据

本研究的补充数据可在论文的电子版中找到。

致谢

本工作得到了江苏省“碳达峰与碳中和”科技创新专项基金（第三批）、国家自然科学基金（项目编号42377123）以及江苏省“333”高层次人才计划（项目编号（2024）3-1461）的支持。