《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Synergistic Degradation of Tetracycline Using Plasma-Activated Persulfate: Roles of hydroxyl and sulfate radicals
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Oat Bahadur Dhakal | Roshani Dahal | Zaffar Iqbal | Eun Ha Choi
韩国首尔光云大学电气与生物物理系等离子体生物科学研究中心，邮编01897
摘要
抗生素，如四环素（TCL），在人类、兽医和农业领域被广泛使用，但由
Oat Bahadur Dhakal | Roshani Dahal | Zaffar Iqbal | Eun Ha Choi
韩国首尔光云大学电气与生物物理系等离子体生物科学研究中心，邮编01897
摘要
抗生素，如四环素（TCL），在人类、兽医和农业领域被广泛使用，但由于其在水生生态系统中的持久性，对健康和环境造成了严重危害。本研究探讨了将多电极圆柱形介质阻挡放电（MEC-DBD）等离子体系统与过硫酸盐活化结合使用，用于降解水溶液中TCL的效率。通过研究等离子体处理过程中过二硫酸盐（PDS）和过一硫酸盐（PMS）的活化效果，对比了这两种方法的降解能力。主要目标是优化降解过程，并评估等离子体产生的活性氧和氮物种（RONS）对植物毒性的缓解作用。测量了等离子体的电学和光学特性，以及气相和液相中的活性物种和物理化学性质。结果表明，当向TCL溶液中添加6 mM的PDS时，由于•OH（6.3248 mg/L）和H?O?（14.49 mg/L）的浓度显著升高，TCL的降解率可达到99.27%，协同效应为2.98。此外，经等离子体处理的溶液对绿豆的毒性降低。MEC-DBD等离子体系统结合过硫酸盐活化方法，可作为高效且可持续的TCL去除方式，具有应用于废水处理的潜力，并且对农业使用是安全的。
引言
抗生素的引入无疑是20世纪最伟大的发明之一；然而，其广泛使用对环境和公共健康产生了显著的不良影响[1]，[2]。其中，四环素类抗生素（包括四环素（TCL）、氧四环素和氯四环素）是全球生产和消费量第二大的抗生素类别[3]。这些抗生素常用于治疗人类呼吸道感染、促进牲畜生长以及抑制细菌蛋白质合成[4]，[5]。然而，人类和动物无法完全代谢这些抗生素，70%以未改变的形式通过尿液和粪便排入环境[4]。越来越多的证据表明，这些化合物现在在各种环境来源中被检测到，包括地表水（3.67–72.9 μg/L）[6]、废水处理排放物（0.282–1.040 μg/L）[7]、湖泊（0.2–17.8 ng/L）[8]、牛奶样本（0.6–73.82 μg/kg）[8]、土壤（86–199 μg/kg）[9]和动物粪便（4.58 mg/kg）[10]。
TCL在水中的持久性令人担忧，因为它会促进耐抗生素细菌的生长和传播，破坏生态系统，并带来潜在的健康风险[11]，[12]。当再生水或受污染的粪便用于农业时，这些抗生素会在土壤和作物中积累，增加人类暴露的风险，凸显出有效处理以保护生态系统和公共健康的必要性[13]，[14]。已经探索了多种去除水中TCL的方法，包括紫外线照射[15]、臭氧氧化[16]、电化学氧化[17]、光催化降解[18]、[19]、生物降解[20]和吸附[21]。近年来，基于过硫酸盐的高级氧化技术作为废水处理的有效方法受到了广泛关注[22]，[23]。过硫酸盐是一种稳定的氧化剂，在过氧化物键（O-O）断裂时会产生硫酸根自由基（SO?•-）[24]。这些硫酸根自由基的氧化还原电位（2.6 V至3.1 V）高于•OH自由基（1.9 V至2.7 V）[23]，且在水中的寿命（约30至40 μs）也比•OH（20 ns）长[22]，[25]。这使得SO?•-自由基能够在溶液中传播更远，并在更长时间内维持氧化反应，有助于大量水中污染物的降解。SO?•-自由基由过二硫酸盐（S?O?2-）和过一硫酸盐（HSO??）活化产生。这些自由基可以通过多种方法活化，如热活化[26]、[27]、紫外线或光活化[28]、[29]、过渡金属活化[30]、[31]、电化学活化[32]、[33]和非热等离子体活化[35]，[36]。其中，非热等离子体相比传统的过硫酸盐活化方法具有多个优势。它可以在不使用额外化学或金属催化剂的情况下生成多种活性氧和氮物种（RONS），如羟基自由基（•OH）、单线态氧（O?）、臭氧（O?）、过氧化氢（H?O?）、原子氧（O）、超氧阴离子（O??）、一氧化氮（NO）和二氧化氮（NO?），从而降低二次污染物的风险[37]，[36]。这些RONS的同时生成使得过硫酸盐的活化和污染物的降解能够同时进行[38]。该过程在常温常压下即可有效运行，无需高温或特定紫外线设备，能耗低且能量转化效率高，为废水处理中的高级氧化提供了一种实用且可持续的方法[39]。
章节摘录
使用的化学物质和试剂
实验中使用的化学物质详见补充材料S1。
等离子体反应器设计与诊断技术
过硫酸盐活化的实验装置如图1(a)所示。等离子体放电采用MEC-DBD等离子体系统生成，该系统由四对黄铜电极组成（长度：165 mm，直径：1 mm），每对电极分别封装在一个小石英管中（长度：220 mm，内径：3 mm，厚度：1 mm），电极之间间距为1 mm。每对电极中的一个连接到高压电源...
等离子体系统的电学和光学特性
等离子体系统的电学特性如图2(a)和2(b)所示。高压交流电源的占空比为13.03%（导通时间：59.92 ms，关闭时间：399.89 ms），以防止O?在80°C以上发生热降解，同时保持反应器表面温度低于65°C[53]，[40]，[37]，如图S2所示。放电过程中记录的电学参数包括峰值电压10.40 kV、峰值电流27.9 mA和操作频率...
结论
水中抗生素（TCL）的污染对生态系统和公共健康构成重大风险，因此需要创新和可持续的处理方法。在本研究中，我们通过将MEC-DBD等离子体系统与过硫酸盐活化结合使用来降解TCL，从而提供了一种缓解抗生素污染环境和健康影响的有效方法。这种组合系统的效率超过了单独使用等离子体的效果，其中PDS（6 mM）的降解效果尤为显著...
作者声明没有已知的财务冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
资金支持
本研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）基础科学研究计划（项目编号RS-2021-NR060112）和信息技术研究中心（ITRC）支持计划（项目编号IITP-2022-2020-0-01846）的资助，后者由科学技术信息通信部（MSIT）提供支持；同时得到了2025年韩国首尔光云大学优秀研究人员支持项目的部分资助。
Zaffar Iqbal：研究、方法论。Roshani Dahal：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、方法论、数据整理。Eun Ha Choi：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、资金争取。Oat Bahadur Dhakal：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、软件开发、方法论、数据分析、概念构建。
作者声明没有已知的财务冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
