DOI: https://doi.org/10.3389/fchem.2025.1747407
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41560902
تاريخ النشر: 2026-01-05
المؤلف: Pan Shulin وآخرون
الموضوع الرئيسي: معالجة المياه بالأكسدة المتقدمة
نظرة عامة
تسلط المراجعة الضوء على التحدي المستمر الذي تطرحه الملوثات العضوية الدقيقة في مصادر المياه العالمية، مشددة على عدم كفاية طرق المعالجة القياسية عند تركيزات الملوثات المنخفضة. تدعو إلى تحسين تقنيات معالجة مياه الصرف الصحي الثلاثية، مع التركيز على دمج الامتصاص وعمليات الأكسدة المتقدمة (AOPs). يسمح الامتصاص بالاحتجاز الانتقائي للشوائب، بينما تستخدم عمليات الأكسدة المتقدمة الجذور التفاعلية لتعدين الملوثات. يعزز التآزر بين هذه الطرق الكفاءة، ويقلل من النفايات، ويعزز الاستدامة، مما يجعل الهجائن من الامتصاص وAOPs حلاً واعدًا للتعامل بفعالية مع الملوثات الدقيقة المستمرة.
تؤكد الخاتمة على الكفاءة المعززة للإزالة التي تم تحقيقها من خلال دمج الامتصاص مع AOPs، متجاوزة قدرات أي من الطريقتين بمفردها. تحدد الورقة مجالات حاسمة للابتكار المستقبلي، لا سيما في علوم المواد، حيث يعد تطوير مواد متعددة الاستخدامات، مستقرة، وانتقائية أمرًا ضروريًا للأنظمة الهجينة الفعالة. يجب أن تتحمل هذه المواد ظروف مياه الصرف الصحي الواقعية، وتقاوم التلوث، وتحافظ على السلامة الهيكلية. بالإضافة إلى ذلك، يتم مناقشة دمج التعلم الآلي لتحسين العمليات وإمكانية إغلاق حلقات المواد في اقتصاد دائري. على الرغم من التحديات المتعلقة بالقدرة على التوسع، والاستقرار، وتوليد المنتجات الثانوية، فإن القوى التكميلية للامتصاص وAOPs تقدم فرصًا كبيرة لتقدم تقنيات المعالجة الهجينة. يجب أن تعطي الأبحاث المستقبلية الأولوية لتطوير مواد قابلة للتوسع، وتجديدية، وتصميمات مفاعلات فعالة لتسهيل اعتماد هذه الأنظمة المتكاملة في حلول معالجة المياه على المدى الطويل.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الأهمية الحاسمة لضمان جودة المياه العذبة للصحة العامة، والاستدامة البيئية، والاستقرار الاقتصادي، مشددة على التحدي الناشئ الذي تطرحه الملوثات الدقيقة. هذه المواد الكيميائية المستمرة والفعالة بيولوجيًا، بما في ذلك الأدوية، ومنتجات العناية الشخصية، والمواد الكيميائية المحتوية على الفلور (PFAS)، والمواد الكيميائية المسببة للاضطرابات الهرمونية (EDCs)، يمكن أن تسبب مشاكل بيئية وصحية كبيرة حتى عند تركيزات منخفضة. تعتبر محطات معالجة مياه الصرف التقليدية (WWTPs) غير فعالة إلى حد كبير في إزالة هذه الملوثات، وغالبًا ما تحقق أقل من 40% كفاءة في الإزالة للأدوية، مما يثير القلق بشأن دخولها إلى مصادر مياه الشرب.
لمعالجة هذه التحديات، تناقش الورقة تقنيات المعالجة المتقدمة، لا سيما عمليات الأكسدة المتقدمة (AOPs) وتقنيات الامتصاص. تستخدم AOPs الأنواع التفاعلية من الأكسجين لتعدين الملوثات العضوية، بينما يركز الامتصاص على تركيز الملوثات للتخلص منها. تشير الأبحاث الحديثة إلى أن دمج هذين النهجين يمكن أن يعزز كفاءة المعالجة بما يتجاوز ما يمكن أن تحققه كل طريقة بشكل مستقل. تهدف هذه المراجعة الصغيرة إلى تلخيص التقدمات الأخيرة في AOPs والامتصاص، لا سيما في تكاملهما، وتحديد الفجوات التكنولوجية التي يجب معالجتها لتطوير حلول معالجة مياه فعالة، قابلة للتوسع، ومستدامة.
طرق
تناقش هذه القسم التقدمات في طرق الامتصاص للاحتجاز المستهدف للملوثات، مشددة على التحول من الكربون المنشط التقليدي إلى مواد ماصة أكثر استدامة وتخصصًا. يكتسب البيوكاربون، المنتج من الكتلة الحيوية المحترقة، زخمًا كبديل صديق للبيئة، مع تعديلات تعزز قدرته على التقاط ملوثات محددة مثل الفوسفات والمعادن الثقيلة. توفر مواد أخرى، مثل أنابيب الكربون النانوية (CNTs) وأكسيد الجرافين (GO)، مساحات سطحية عالية ولكن تواجه حواجز تكلفة، بينما تظهر MXenes، مثل Ti₃C₂Tₓ، وعدًا على الرغم من التحديات المتعلقة بالأكسدة في البيئات المائية. تشمل الاستراتيجيات لتعزيز استقرار هذه المواد التمرير الكيميائي والتغليف، على الرغم من الحاجة إلى مزيد من البحث لتقييم فعاليتها على المدى الطويل في سيناريوهات مياه الصرف الصحي الحقيقية.
بالإضافة إلى ذلك، يقدم القسم نهج التركيز المتسلسل-التدمير، الذي يستخدم عمليات الأكسدة المتقدمة (AOPs) لمعالجة تدفقات النفايات المركزة من المواد الماصة الانتقائية، مما يحسن بشكل كبير من كفاءة الطاقة والتكلفة، لا سيما بالنسبة للملوثات المستمرة مثل PFAS. تعرض المواد الناشئة، بما في ذلك MXenes ثنائية الأبعاد والأطر العضوية التساهمية (COFs)، سعات امتصاص عالية ولكن تواجه تحديات تتعلق بالأكسدة والقدرة على التوسع. بينما تظل الراتنجات التبادلية الأيونية من الجيل التالي الطريقة المفضلة للملوثات السلبية، فإن التنازلات في الأداء بين فئات المواد الماصة المختلفة تبرز الحاجة إلى الاختيار حسب الحالة ومزيد من التحقيق في متانتها وفعاليتها في خلطات الملوثات المعقدة.
نقاش
تسلط قسم النقاش في ورقة البحث الضوء على التقدمات الكبيرة في عمليات الأكسدة المتقدمة (AOPs) لمعالجة المياه، مع التركيز بشكل خاص على دمج تقنية UV-LED وتفعيل البيرسلفات (PS) لتوليد الجذور الكبريتية (SO₄⁻). لقد حسنت الانتقال من المصابيح الزئبقية التقليدية إلى UV-LEDs من كفاءة ومرونة AOPs، مما يسمح بتوليد أفضل للجذور ونطاقات pH تشغيلية أوسع. من الجدير بالذكر أن تطوير مواد أشباه الموصلات مثل نيتريد الكربون الجرافيتي (g-C₃N₄) وأكسيدات البزموت (BiOX) يعزز التحفيز الضوئي غير المتجانس، بينما تحسن الوصلات الهجينة من نوع S كفاءة فصل الشحنات.
تناقش الورقة أيضًا التحديات المرتبطة بمختلف AOPs، بما في ذلك إنتاج المنتجات الثانوية السامة ومشاكل استقرار المحفزات والقدرة على التوسع. على سبيل المثال، بينما تقدم AOPs القائمة على البيرسلفات مزايا في الانتقائية وطول العمر، قد يكون من الصعب تنشيطها وقد تولد وسائط ضارة. يُقترح دمج الامتصاص مع AOPs كاستراتيجية واعدة لتعزيز كفاءة إزالة الملوثات، وتقليل النفايات، والتخفيف من قيود كل طريقة. تظهر الأنظمة الهجينة، التي تجمع بين الامتصاص والتحلل التحفيزي، إمكانات لتحسين الأداء، ولكنها تتطلب مزيدًا من البحث لمعالجة الاستقرار، والتجديد، وقابلية التطبيق في العالم الحقيقي. بشكل عام، تؤكد الورقة على الحاجة إلى الابتكار المستمر في علوم المواد وتصميم المفاعلات لتطوير حلول قوية وقابلة للتوسع لمعالجة المياه بشكل فعال.
DOI: https://doi.org/10.3389/fchem.2025.1747407
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41560902
Publication Date: 2026-01-05
Author(s): Pan Shulin et al.
Primary Topic: Advanced oxidation water treatment
Overview
The review highlights the persistent challenge posed by organic micropollutants in global water sources, emphasizing the inadequacy of standard treatment methods at low contaminant concentrations. It advocates for improved tertiary wastewater treatment technologies, focusing on the integration of adsorption and Advanced Oxidation Processes (AOPs). Adsorption allows for selective impurity sequestration, while AOPs utilize reactive radicals for pollutant mineralization. The synergy between these methods enhances efficiency, reduces waste, and promotes sustainability, making AOP-adsorption hybrids a promising solution for effectively addressing persistent micropollutants.
The conclusion underscores the enhanced removal efficiency achieved by combining adsorption with AOPs, surpassing the capabilities of either method alone. The paper identifies critical areas for future innovation, particularly in material science, where the development of versatile, stable, and selective materials is essential for effective hybrid systems. These materials must withstand realistic wastewater conditions, resist fouling, and maintain structural integrity. Additionally, the integration of machine learning for process optimization and the potential for closing material loops in a circular economy are discussed. Despite challenges related to scalability, stability, and by-product generation, the complementary strengths of adsorption and AOPs present significant opportunities for advancing hybrid treatment technologies. Future research should prioritize the development of scalable, regenerative materials and efficient reactor designs to facilitate the adoption of these integrated systems in long-term water treatment solutions.
Introduction
The introduction highlights the critical importance of securing freshwater quality for public health, environmental sustainability, and economic stability, emphasizing the emerging challenge posed by micropollutants. These persistent and biologically active chemicals, including pharmaceuticals, personal care products, per-and polyfluoroalkyl substances (PFAS), and endocrine-disrupting chemicals (EDCs), can cause significant ecological and health issues even at low concentrations. Traditional wastewater treatment plants (WWTPs) are largely ineffective at removing these contaminants, often achieving less than 40% removal efficiency for pharmaceuticals, which raises concerns about their entry into drinking water sources.
To address these challenges, the paper discusses advanced treatment technologies, particularly advanced oxidation processes (AOPs) and adsorption techniques. AOPs utilize reactive oxygen species to mineralize organic pollutants, while adsorption focuses on concentrating contaminants for disposal. Recent research suggests that combining these two approaches could enhance treatment efficiency beyond what each method can achieve independently. This mini-review aims to summarize recent advancements in AOPs and adsorption, particularly in their integration, and to identify the technological gaps that must be addressed to develop effective, scalable, and sustainable water treatment solutions.
Methods
The section discusses advancements in adsorption methods for targeted contaminant sequestration, highlighting the shift from traditional activated carbon to more sustainable and specialized sorbents. Biochar, produced from pyrolyzed biomass, is gaining traction as an eco-friendly alternative, with modifications enhancing its ability to capture specific contaminants like phosphates and heavy metals. Other materials, such as carbon nanotubes (CNTs) and graphene oxide (GO), offer high surface areas but face cost barriers, while MXenes, like Ti₃C₂Tₓ, show promise despite challenges related to oxidation in aqueous environments. Strategies to enhance the stability of these materials include chemical passivation and encapsulation, although further research is needed to assess their long-term effectiveness in real wastewater scenarios.
Additionally, the section introduces a Sequential Concentration-Destruction approach, which utilizes advanced oxidation processes (AOPs) to treat concentrated waste streams from selective adsorbents, significantly improving energy and cost efficiency, particularly for persistent pollutants like PFAS. Emerging materials, including two-dimensional MXenes and Covalent Organic Frameworks (COFs), exhibit high adsorption capacities but face challenges related to oxidation and scalability. While next-generation ion exchange resins remain the preferred method for anionic contaminants, the performance trade-offs among various adsorbent classes underscore the need for situational selection and further investigation into their durability and effectiveness in complex pollutant mixtures.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights significant advancements in advanced oxidation processes (AOPs) for water treatment, particularly focusing on the integration of UV-LED technology and the activation of persulfate (PS) for generating sulfate radicals (SO₄⁻). The transition from traditional mercury lamps to UV-LEDs has improved the efficiency and versatility of AOPs, allowing for better radical generation and broader operational pH ranges. Notably, the development of semiconductor materials like graphitic carbon nitride (g-C₃N₄) and bismuth oxyhalides (BiOX) enhances heterogeneous photocatalysis, while innovative S-scheme heterojunctions improve charge separation efficiency.
The paper also discusses the challenges associated with various AOPs, including the production of toxic by-products and issues with catalyst stability and scalability. For instance, while persulfate-based AOPs offer advantages in selectivity and longevity, they can be difficult to activate and may generate harmful intermediates. The integration of adsorption with AOPs is proposed as a promising strategy to enhance pollutant removal efficiency, reduce waste, and mitigate the limitations of each method. Hybrid systems, which combine adsorption and catalytic degradation, show potential for improved performance, but require further research to address stability, regeneration, and real-world applicability. Overall, the paper emphasizes the need for continued innovation in material science and reactor design to develop robust, scalable solutions for effective water treatment.