综述：光催化地质聚合物在有机污染物降解方面的最新进展：综述

　　本文综述了地聚物基光催化剂在处理抗生素和有机染料等顽固污染物中的应用，分析了合成参数（如碱 activator 浓度、Na?SiO?/NaOH 比例、固液比）对材料性能的影响，探讨了 pH、催化剂用量、初始污染物浓度等关键操作参数的优化机制，揭示了电荷分离与活性氧物种（如 •OH 和 •O??）在光催化降解中的协同作用，并提出了未来需在材料稳定性、规模化应用及多污染物协同降解方面深入研究的方向。

　　

随着全球工业化和城市化进程的加速，水体中抗生素、染料等有机污染物的排放量持续攀升。这类污染物具有化学稳定性高、生物降解性差等特点，传统水处理技术难以有效去除，导致水体富营养化、生物毒性增强以及抗生素耐药性等问题日益严峻。近年来，地聚物基光催化材料因其独特的结构特性与环保优势，逐渐成为水处理领域的研究热点。本文系统梳理了地聚物基光催化材料的研究进展，重点探讨其合成工艺、光催化机理、关键影响因素及未来发展方向。### 一、有机污染物的环境挑战与光催化技术优势

水体中主要的有机污染物包括抗生素（如四环素、磺胺类）、合成染料（如罗丹明B、甲基橙）以及农药残留等。抗生素的过度排放不仅会破坏水体微生物群落结构，更会通过食物链富集加剧耐药菌的产生。染料类污染物则因复杂的共轭结构导致光吸收特性优异，其残留物具有显著的生物毒性。传统水处理技术如生物膜法、活性炭吸附等存在效率低、二次污染等问题，而光催化技术通过光生活性物种（如羟基自由基）实现污染物矿化，具有无二次污染、能耗低的特点。地聚物作为新型载体材料，其三维网状结构（Si-O-Al键合）为光催化剂提供了稳定支撑。相较于传统TiO?等纳米材料，地聚物基复合材料具有以下优势：（1）高比表面积（可达300-500 m2/g）和孔隙率（>50%），增强污染物吸附与传质；（2）热稳定性（>800℃）和机械强度（抗压强度达20-50 MPa），确保催化剂在复杂工况下的稳定性；（3）可掺杂金属氧化物（如TiO?、ZnO、Fe?O?）形成异质结，拓宽光响应范围至紫外-可见光区。### 二、地聚物基光催化材料的合成与结构调控

地聚物通过固相或液相法合成，其性能受三大核心参数影响：

1. **碱激发剂配比**：Na?SiO?/NaOH摩尔比直接影响网络结构形成。当NaOH浓度在8-12 M时，地聚物抗压强度可达30-50 MPa，同时保持高孔隙率（Mudgal et al., 2022）。但过高浓度（>14 M）会导致结构致密化，反而降低吸附能力。

2. **固体/液体比例（S/L）**：S/L比0.5-1.5时，材料孔隙率最佳（Ariffin et al., 2018）。例如，使用飞灰（FA）为原料时，S/L=0.8可实现表面积24.6 m2/g的高效吸附结构。

3. **掺杂工艺**：TiO?掺杂量控制在5-15 wt.%时，光催化效率最高（Ettahiri et al., 2024）。例如，5% TiO?掺杂的地聚物对罗丹明B的降解效率达97%，而过量掺杂（>20 wt.%）会导致颗粒团聚，降低活性。合成过程中需注意原料预处理，如飞灰需经300℃煅烧以释放结晶水，提高Si/Al比（>1.5）可增强网络交联度（Chen et al., 2021）。表1对比了不同合成参数下的性能差异：NaOH浓度12 M时，抗压强度97.6 MPa且光催化效率最优；而S/L=0.5时，吸附容量达59 mg/g，显著优于高S/L比（>2.0）的致密结构。### 三、光催化降解机制与活性物种协同作用

地聚物基光催化剂的降解过程包含三个关键阶段：

1. **吸附富集**：通过静电作用（pH<7时，地聚物表面带负电，吸附阳离子染料）、离子交换（如Eu3+与地聚物-OH?结合）及π-π作用（如苯环与TiO?表面缺陷吸附）实现污染物固定化（Asim et al., 2022）。

2. **光激发与电荷分离**：TiO?的禁带宽度（3.2 eV）使其在紫外光下激发，而掺杂Mn2+、Fe3+等金属离子可形成中间能级，将可见光响应范围扩展至420 nm（Shimizu et al., 2020）。例如，Mn掺杂的的地聚物对四环素的降解效率达97.1%，其表面氧空位密度提高3倍，促进•OH生成。

3. **污染物矿化**：活性物种•OH（氧化电位2.75 V）和•O??（2.07 V）主导降解过程。实验表明，在pH=4.47时，•OH生成量最大，使四环素在30分钟内完全矿化为CO?和H?O（Dong et al., 2022）。### 四、关键操作参数的影响规律

1. **初始污染物浓度**：当浓度低于50 mg/L时，降解效率随浓度升高而增加（Alahmad et al., 2024）；超过100 mg/L后，光量子效率下降30-50%，主要因活性位点饱和及扩散阻力增大（Jaramillo-Fierro et al., 2023）。

2. **pH值调控**：中性环境（pH=7）时，带负电的地聚物表面与阳离子染料（如罗丹明B）的静电吸附最强；而抗生素（如四环素）在pH=4.5时因质子化作用增强光催化活性（Dong et al., 2022）。

3. **催化剂负载量**：最佳负载量在0.3-1.0 g/L之间。例如，ZnO掺杂量为8%时，甲基橙降解率达95%，超过15%后因颗粒团聚导致效率下降（Maiti et al., 2020）。### 五、技术瓶颈与突破方向

当前研究仍面临三大挑战：

1. **稳定性不足**：多数催化剂经5次循环后活性下降15-30%，主要因TiO?纳米颗粒从地聚物表面脱落（Mushtaq et al., 2020）。表面包覆二氧化硅或引入磁响应材料（如Fe?O?）可有效提高循环稳定性（Zhang et al., 2021）。

2. **光响应范围窄**：可见光利用率不足40%。通过掺杂可见光响应材料（如g-C?N?）可将响应范围扩展至500 nm（Song et al., 2025）。

3. **规模化应用困难**：实验室级反应器（200-500 mL）与实际污水处理规模（>10 m3/h）存在显著差异，需开发模块化反应装置（Theodorakopoulos et al., 2023）。未来研究应聚焦以下方向：

- **多组分协同体系**：研究TiO?/MnO?/Fe?O?三元掺杂对光催化活性的影响，如Fe3+催化•OH生成，Mn2+促进电荷分离的协同效应。

- **智能响应材料**：开发pH/光双响应地聚物，例如引入离子敏感基团（如羧基）实现pH调控型孔结构变化。

- **生命周期评估**：建立从原料（如粉煤灰）到废弃（热解后重金属浸出率<0.1 mg/L）的全流程环保评价体系。### 六、应用前景与经济性分析

地聚物基光催化剂的成本约为传统TiO?的1.5-2.0倍，但可通过尾矿（如粉煤灰）替代 (>80%质量比）实现成本降低40%以上（Khatib et al., 2022）。在废水处理中，单级反应器可使COD去除率>90%，若结合膜分离技术（如纳滤膜截留分子量>2000 Da），整体去除率可达99.5%以上（Ahmed et al., 2023）。### 七、结论

地聚物基光催化材料通过"结构设计-活性调控-稳定性优化"三位一体的策略，展现出解决抗生素和染料污染的潜力。未来需在材料工程（如多级孔结构设计）、反应器工程（如光-热协同系统）及标准化评估（ISO 14001兼容）方面取得突破，推动该技术从实验室走向工业化应用。据2030年市场预测，地聚物光催化材料在水处理领域的市场规模将突破12亿美元，年复合增长率达18.7%（Grand View Research, 2023）。