電催化技術降解藥物及個人護理用品（PPCPs）的研究現狀

＊覃黃玲 許丹丹* 劉宇輝

（1.桂林理工大學環境科學與工程學院 廣西 541004 2.廣西恒晟水環境治理有限公司 廣西 541100）

藥物和個人護理用品（Pharmaceuticals and Personal Care Products，簡稱PPCPs）是多種化學物質的統稱，主要包括藥物和個人護理產品兩大類，比如消炎止痛藥、激素、抗癌藥、抗生素、化妝品、染發劑、洗發水等，是由Daughton和Ternes在1999年提出的，盡管它們在水體環境中含量低（ng/L～μg/L），但由于其結構復雜、難生物降解等特點，對水體環境產生嚴重的污染，并在水中不斷積累，進而通過食物鏈和食物網危害生態環境和人類健康。PPCPs降解技術發展至今，已有許多比較成熟的方法，其中電催化技術是最高效、最環保的方法，具有反應條件溫和、可控性強等優點，被稱為“環境友好”技術。因此，研究電催化技術在降解PPCPs領域的發展方向對于生態保護和未來發展有實際意義。

1.PPCPs的危害

PPCPs長期存在于水中可能會對水生生物產生毒性效應，污染水環境，構成對生態平衡和人類健康的威脅。水中PPCPs的存在會影響微生物的降解能力，抑制水生生物的生殖能力，破壞微生物種群結構。近些年來，許多研究表明，在低濃度PPCPs水環境中，水生生物會產生不良反應，土壤或水生生物的生物化學性質也會發生變化。PPCPs種類繁多，性質不同，不同的PPCPs對水生生物所表現出的毒性也是不同的。例如，Ortiz de Garcia[1]等研究發現，西班牙水環境存在26種PPCPs，其中65.4%對水生生物表現出高毒性。另外，Minguez[2]等對比淡水和海水中48種PPCPs毒性的研究，發現海洋生物對PPCPs的慢性毒性的反應比淡水生物更為強烈。

環境中的PPCPs可以通過皮膚、飲食或呼吸進入人體內，進而影響人體健康。合成麝香是一類典型的PPCPs，廣泛應用于香水、化妝品等日用品中，對消化道黏膜有刺激性作用，使用量過大會出現頭痛、惡心等，嚴重則可能會中毒，甚至內臟出血而死。例如，Wang等在中國上海的馬尾松中發現了總濃度范圍0.071×10-3～2.72×10-3mg/kg的合成麝香。另外，Zhou[3]等分別通過實驗在血液、脂肪、母乳中都檢測出了濃度不算低的合成麝香。雖然PPCPs存在于環境中的濃度不高，但其分布廣泛，有潛在風險，對生態環境和人類健康的影響不容忽視。

2.我國PPCPs的污染現狀

隨著我國經濟和科學技術的迅猛發展、人民生活水平及健康意識的不斷提高，藥品、保健品和個人護理用品的需求量大幅度提高。據統計，2018年中國位列世界第二大化妝品消費國，市場規模高達4102億元，且以年增長率9.9%持續增長，預計2024年將突破6000億元。因此，PPCPs污染成為我國環境治理的一大威脅。

目前，PPCPs對水環境的污染問題是我國的研究重點。生活污水、工業廢水等是水環境中PPCPs的主要來源，最終污染地表水及地下水等水環境系統。在我國大部分地區的水環境中都可檢測出PPCPs類物質，例如，Li[4]等在北京的地表水中檢測到了22種抗生素藥物；高月[5]等調查漢江水發現了10種PPCPs，其中酮基布洛芬和三氯卡班濃度最高；張盼偉[6]等在太湖周邊進行檢測，發現了9種PPCPs，其中咖啡因為主要污染物；Mei[7]等對黃浦江河段進行檢測，發現了11種PPCPs；Zhang[8]等研究發現，東江作為珠三角地區的飲用水源，檢測出濃度較高的抗生素。由此可見，我國的水環境PPCPs污染現狀不容樂觀。

3.PPCPs的幾種常用去除方法

(1)混凝沉淀法

混凝沉淀法是利用混凝劑對污水進行深度凈化處理的一種常用方法，經過混凝、沉淀、過濾、消毒四個工藝流程，可以有效去除水中PPCPs類污染物，以達到凈水效果。

Carballa[9]等的混凝實驗也表明，麝香的去除率范圍為50%～70%，而其它PPCPs的去除率均低于25%，卡馬西平和布洛芬的去除效果甚至幾乎為零；Ternes[10]等也采用FeCl3作為混凝劑對五種PPCPs進行實驗，發現它們的去除率均低于10%；Admas[11]采用鋁鹽和鐵鹽作混凝劑對抗生素進行實驗，發現去除率僅為5%。大量研究表明，采用混凝法去除PPCPs雖然成本低、易操作，但去除率較低，且對部分PPCPs幾乎無去除效果，因此，需尋找處理效果更好的處理技術。

(2)生物處理法

生物處理法是污水處理廠去除PPCPs的常用方法，包括厭氧、好氧處理和人工濕地技術，即利用微生物的新陳代謝功能，在酶的催化下，對污水中的污染物進行分解和轉化，以達到降解污染物的效果。Kstsuki[12]在對日本污水處理廠經過生物處理的出水中檢測發現，可以去除50%的布洛芬，卻對雙氯芬酸幾乎沒有去除效果；MASANORI[13]等在采用生物處理法去除48種PPCPs的實驗中，發現其它PPCPs的去除率范圍30%～50%，而對卡馬西平的去除率為零。生物處理法對于不同類型的PPCPs污染物有不同的去除效果，為了達到更好的去除效果，應與其他方法配合運用。

(3)膜分離技術

膜分離技術是利用膜的選擇性功能，通過物理過程使不同粒徑分子的混合物實現選擇性分離的技術，具有操作簡單、占用空間小、處理效果穩定等特點，但去除率主要取決于膜的特性和目標污染物的結構組成。

Acero[14]等研究UF和NF去除水中磺胺甲惡唑、雙氯芬酸和異丙隆等的效果時，發現NF對PPCPs類污染物的去除率比UF的更高；Yangali-Quintanilla[15]等對比研究NF和RO對污染物的截留率，結果表明NF的截留率可以達到82%～97%，RO的去除率也在85%～99%之間，兩種膜的處理效果幾乎差不多。盡管納濾膜和反滲透膜對PPCPs的去除效果很理想，但膜污染、膜使用壽命較短，膜上截留的高濃度污染物需進一步處理等問題的存在，導致高額的成本，限制了膜分離技術進一步的發展與應用。

(4)活性炭吸附

活性炭吸附是指利用活性炭的固體表面對水中的一種或多種物質的吸附作用，以達到凈化水質的目的。活性炭是一種最常見的無機吸附劑，分為顆粒活性炭和粉末活性炭。

Hernandez-Leal[16]等研究發現，水中的16種PPCPs物質與粉末活性炭接觸5min可完全被吸附；Ek[17]等讓污水流過裝有3個顆粒活性炭的過濾器，發現污水中PPCPs的去除率可達90%～98%；Kim[18]等采用顆粒活性炭對飲用水中的PPCPs進行吸附，發現去除率可達99%。

4.電催化氧化技術

電催化氧化是高級氧化的一種形式，其原理是有機物污染物以電作為催化劑，氧氣、臭氧等作為氧化劑，在電極表面發生直接或間接的氧化反應，最終生成水和二氧化碳而從體系中除去。

(1)應用現狀

電催化氧化作為新興技術，有很大的發展前景，發展至今，有很多環保工作者將其應用在難降解廢水的處理中，并取得了較理想的效果，如劉弋潞等[19]研究發現印染廢水經混凝和電催化氧化處理后，廢水中的COD去除率在80%以上；張惠靈等[20]使用以Ti/MnO2/PbO2為復合電極的電催化技術處理廢水40min，發現羅丹明B的去除率幾乎達到100%；Lidia等[21]用Ti/Pt和Ti/Pt/Ir電極電解處理制革廢水。

(2)技術優勢

該技術的主要優勢在于：

①可以產生具有強氧化性的·OH；

②最終產物為二氧化碳和水，無二次污染；

③反應條件溫和，常溫常壓下就可進行；

④設備簡單，操作方便，易于控制；

⑤能量效率高；

⑥適應性強，既可以單獨使用，又可以與多種技術聯用。

(3)技術局限性

該技術主要存在以下局限性：

①能耗大，運行成本高；

②實用化電極不多；

③電極材料壽命短；

④處理高濃度廢水時效率不高。

5.結語

PPCPs是一類新型污染物，在環境中廣泛分布，對生態環境和人類健康都存在著巨大的威脅。了解PPCPs的組成結構、研究PPCPs的去除機理是解決PPCPs污染問題的有效途徑。利用電催化氧化技術降解PPCPs不僅操作簡單，而且不會產生二次污染，對環境友好，具有非常大的發展前景，但還有許多問題需要進一步的研究，如電極壽命不長，容易被腐蝕；能耗高等。目前，我國現階段采用的PPCPs去除方法雖然有一定的效果，但也存在一定的局限性，單獨使用一種處理方法的效果并不理想，因此，開發多種技術組合工藝，將電催化技術與其他技術靈活組合，改善電催化技術的局限性，尋找一種更高效、環保、經濟的綠色技術是今后PPCPs降解的研究方向。