电催化技术降解药物及个人护理用品（PPCPs）的研究现状

＊覃黄玲 许丹丹* 刘宇辉

（1.桂林理工大学环境科学与工程学院 广西 541004 2.广西恒晟水环境治理有限公司 广西 541100）

药物和个人护理用品（Pharmaceuticals and Personal Care Products，简称PPCPs）是多种化学物质的统称，主要包括药物和个人护理产品两大类，比如消炎止痛药、激素、抗癌药、抗生素、化妆品、染发剂、洗发水等，是由Daughton和Ternes在1999年提出的，尽管它们在水体环境中含量低（ng/L～μg/L），但由于其结构复杂、难生物降解等特点，对水体环境产生严重的污染，并在水中不断积累，进而通过食物链和食物网危害生态环境和人类健康。PPCPs降解技术发展至今，已有许多比较成熟的方法，其中电催化技术是最高效、最环保的方法，具有反应条件温和、可控性强等优点，被称为“环境友好”技术。因此，研究电催化技术在降解PPCPs领域的发展方向对于生态保护和未来发展有实际意义。

1.PPCPs的危害

PPCPs长期存在于水中可能会对水生生物产生毒性效应，污染水环境，构成对生态平衡和人类健康的威胁。水中PPCPs的存在会影响微生物的降解能力，抑制水生生物的生殖能力，破坏微生物种群结构。近些年来，许多研究表明，在低浓度PPCPs水环境中，水生生物会产生不良反应，土壤或水生生物的生物化学性质也会发生变化。PPCPs种类繁多，性质不同，不同的PPCPs对水生生物所表现出的毒性也是不同的。例如，Ortiz de Garcia[1]等研究发现，西班牙水环境存在26种PPCPs，其中65.4%对水生生物表现出高毒性。另外，Minguez[2]等对比淡水和海水中48种PPCPs毒性的研究，发现海洋生物对PPCPs的慢性毒性的反应比淡水生物更为强烈。

环境中的PPCPs可以通过皮肤、饮食或呼吸进入人体内，进而影响人体健康。合成麝香是一类典型的PPCPs，广泛应用于香水、化妆品等日用品中，对消化道黏膜有刺激性作用，使用量过大会出现头痛、恶心等，严重则可能会中毒，甚至内脏出血而死。例如，Wang等在中国上海的马尾松中发现了总浓度范围0.071×10-3～2.72×10-3mg/kg的合成麝香。另外，Zhou[3]等分别通过实验在血液、脂肪、母乳中都检测出了浓度不算低的合成麝香。虽然PPCPs存在于环境中的浓度不高，但其分布广泛，有潜在风险，对生态环境和人类健康的影响不容忽视。

2.我国PPCPs的污染现状

随着我国经济和科学技术的迅猛发展、人民生活水平及健康意识的不断提高，药品、保健品和个人护理用品的需求量大幅度提高。据统计，2018年中国位列世界第二大化妆品消费国，市场规模高达4102亿元，且以年增长率9.9%持续增长，预计2024年将突破6000亿元。因此，PPCPs污染成为我国环境治理的一大威胁。

目前，PPCPs对水环境的污染问题是我国的研究重点。生活污水、工业废水等是水环境中PPCPs的主要来源，最终污染地表水及地下水等水环境系统。在我国大部分地区的水环境中都可检测出PPCPs类物质，例如，Li[4]等在北京的地表水中检测到了22种抗生素药物；高月[5]等调查汉江水发现了10种PPCPs，其中酮基布洛芬和三氯卡班浓度最高；张盼伟[6]等在太湖周边进行检测，发现了9种PPCPs，其中咖啡因为主要污染物；Mei[7]等对黄浦江河段进行检测，发现了11种PPCPs；Zhang[8]等研究发现，东江作为珠三角地区的饮用水源，检测出浓度较高的抗生素。由此可见，我国的水环境PPCPs污染现状不容乐观。

3.PPCPs的几种常用去除方法

(1)混凝沉淀法

混凝沉淀法是利用混凝剂对污水进行深度净化处理的一种常用方法，经过混凝、沉淀、过滤、消毒四个工艺流程，可以有效去除水中PPCPs类污染物，以达到净水效果。

Carballa[9]等的混凝实验也表明，麝香的去除率范围为50%～70%，而其它PPCPs的去除率均低于25%，卡马西平和布洛芬的去除效果甚至几乎为零；Ternes[10]等也采用FeCl3作为混凝剂对五种PPCPs进行实验，发现它们的去除率均低于10%；Admas[11]采用铝盐和铁盐作混凝剂对抗生素进行实验，发现去除率仅为5%。大量研究表明，采用混凝法去除PPCPs虽然成本低、易操作，但去除率较低，且对部分PPCPs几乎无去除效果，因此，需寻找处理效果更好的处理技术。

(2)生物处理法

生物处理法是污水处理厂去除PPCPs的常用方法，包括厌氧、好氧处理和人工湿地技术，即利用微生物的新陈代谢功能，在酶的催化下，对污水中的污染物进行分解和转化，以达到降解污染物的效果。Kstsuki[12]在对日本污水处理厂经过生物处理的出水中检测发现，可以去除50%的布洛芬，却对双氯芬酸几乎没有去除效果；MASANORI[13]等在采用生物处理法去除48种PPCPs的实验中，发现其它PPCPs的去除率范围30%～50%，而对卡马西平的去除率为零。生物处理法对于不同类型的PPCPs污染物有不同的去除效果，为了达到更好的去除效果，应与其他方法配合运用。

(3)膜分离技术

膜分离技术是利用膜的选择性功能，通过物理过程使不同粒径分子的混合物实现选择性分离的技术，具有操作简单、占用空间小、处理效果稳定等特点，但去除率主要取决于膜的特性和目标污染物的结构组成。

Acero[14]等研究UF和NF去除水中磺胺甲恶唑、双氯芬酸和异丙隆等的效果时，发现NF对PPCPs类污染物的去除率比UF的更高；Yangali-Quintanilla[15]等对比研究NF和RO对污染物的截留率，结果表明NF的截留率可以达到82%～97%，RO的去除率也在85%～99%之间，两种膜的处理效果几乎差不多。尽管纳滤膜和反渗透膜对PPCPs的去除效果很理想，但膜污染、膜使用寿命较短，膜上截留的高浓度污染物需进一步处理等问题的存在，导致高额的成本，限制了膜分离技术进一步的发展与应用。

(4)活性炭吸附

活性炭吸附是指利用活性炭的固体表面对水中的一种或多种物质的吸附作用，以达到净化水质的目的。活性炭是一种最常见的无机吸附剂，分为颗粒活性炭和粉末活性炭。

Hernandez-Leal[16]等研究发现，水中的16种PPCPs物质与粉末活性炭接触5min可完全被吸附；Ek[17]等让污水流过装有3个颗粒活性炭的过滤器，发现污水中PPCPs的去除率可达90%～98%；Kim[18]等采用颗粒活性炭对饮用水中的PPCPs进行吸附，发现去除率可达99%。

4.电催化氧化技术

电催化氧化是高级氧化的一种形式，其原理是有机物污染物以电作为催化剂，氧气、臭氧等作为氧化剂，在电极表面发生直接或间接的氧化反应，最终生成水和二氧化碳而从体系中除去。

(1)应用现状

电催化氧化作为新兴技术，有很大的发展前景，发展至今，有很多环保工作者将其应用在难降解废水的处理中，并取得了较理想的效果，如刘弋潞等[19]研究发现印染废水经混凝和电催化氧化处理后，废水中的COD去除率在80%以上；张惠灵等[20]使用以Ti/MnO2/PbO2为复合电极的电催化技术处理废水40min，发现罗丹明B的去除率几乎达到100%；Lidia等[21]用Ti/Pt和Ti/Pt/Ir电极电解处理制革废水。

(2)技术优势

该技术的主要优势在于：

①可以产生具有强氧化性的·OH；

②最终产物为二氧化碳和水，无二次污染；

③反应条件温和，常温常压下就可进行；

④设备简单，操作方便，易于控制；

⑤能量效率高；

⑥适应性强，既可以单独使用，又可以与多种技术联用。

(3)技术局限性

该技术主要存在以下局限性：

①能耗大，运行成本高；

②实用化电极不多；

③电极材料寿命短；

④处理高浓度废水时效率不高。

5.结语

PPCPs是一类新型污染物，在环境中广泛分布，对生态环境和人类健康都存在着巨大的威胁。了解PPCPs的组成结构、研究PPCPs的去除机理是解决PPCPs污染问题的有效途径。利用电催化氧化技术降解PPCPs不仅操作简单，而且不会产生二次污染，对环境友好，具有非常大的发展前景，但还有许多问题需要进一步的研究，如电极寿命不长，容易被腐蚀；能耗高等。目前，我国现阶段采用的PPCPs去除方法虽然有一定的效果，但也存在一定的局限性，单独使用一种处理方法的效果并不理想，因此，开发多种技术组合工艺，将电催化技术与其他技术灵活组合，改善电催化技术的局限性，寻找一种更高效、环保、经济的绿色技术是今后PPCPs降解的研究方向。