张永军研究团队在观察所制备的催化剂材料

■本报通讯员 朱琳 记者 温才妃

在南京工业大学（以下简称南工大）环境学院的602创新实验室里，500℃的管式炉里已经烧制了4个小时，管式炉内是1克轮胎炭负载4.9%的铜和0.1%的铈，浸渍在2.8毫升乙醇溶液里。一种新型的铜铈轮胎炭催化剂正在酝酿产生。

经过一年多的探索与等待，张永军课题组采用废旧轮胎作为原料，经过破碎、磁选和低温热解等处理过程，得到了轮胎炭材料；并以铜铈两种金属作为活性组分进行负载，经过高温过程制备得到了新型高效铜铈轮胎炭催化剂。

课题组研究发现，该催化剂能高效催化过硫酸盐体系，快速降解氧氟沙星，实现了资源利用和以废治废。相关成果已于近日在线发表于被环境类SCI期刊《应用催化B》。

废旧轮胎的“变身”

两年前，南工大环境学院教授张永军、讲师于杨在新疆呼图壁县工业园区调研，其中新疆日新恒力橡胶有限公司生产的轮胎炭，引起了两位教师极大的兴趣。他们发现，对方只是将轮胎炭做成炭黑，用于涂料，但轮胎炭也可以作为催化剂的载体，制成附加值更高的催化剂。

催化氧化技术是业界公认的去除难降解污染物的有效手段，也是南工大的传统强项。致力于催化剂研究的于杨有着高度的科研敏感度，“如果能做成的话，这将有利于扩大轮胎炭的产业规模，也可以解决轮胎处理的难题，实现资源化利用。”

据统计，2017年我国废旧轮胎产生量已超过1300万吨，且每年以6%至8%的比例增长，预计到2020年废旧轮胎产生量将超过2000万吨。废旧轮胎被人们称为“黑色污染”，有非常强的抗生物、抗机械、抗热性，难以降解，长期堆放，不仅占用了土地资源，而且极容易滋生细菌、传播病毒，严重恶化自然环境。

目前，国内对于废旧轮胎的处理中，热解法被认为是废轮胎资源化处理的最佳途径之一，它可以实现废轮胎无害化和资源化处理，通过热解可以将废轮胎彻底裂解并得到对生产有用的原材料，包括热解气、热解油、热解炭和钢丝。其中轮胎热解炭占橡胶轮胎重量的30%~40％，被认为是最重要的产品之一。

“常用的催化剂载体有活性炭、煤炭、二氧化钛和硅藻土，轮胎炭材料的优势是成本低，活性炭20000元/吨，轮胎炭的成本低于800 元/吨，使用轮胎炭还可以减轻污染，实现以废治废。”于杨说，瞄准了轮胎炭之后，课题组开始了寻找高效金属元素及制备方法。

铜铈双金属来“搭桥”

论文第一作者、硕士生刘西扬有两个自习室，分别在环境学院414和药学院315，从414走到315的通道七弯八拐，中间连接着多个实验室。对刘西扬来说，每天徘徊在各种金属负载物之间，就像每天穿梭在这些实验室之间一样频繁，“没少迷过路”。

2017年9月，刘西扬刚上研一的时候就开始做这个实验。但在最初的实验中，他们发现单金属元素的效果普遍较差，后来，张永军和于杨发来一些复合金属催化剂的最新研究成果，包括研究铁和钴、铁和镍等。刘西扬就尝试多金属掺杂，“大概试了近20种组合方式”。

那段时间这些金属成了刘西扬最好的伙伴。她还清楚地记得，2018年1月中旬的一天，她在药学院313实验室做催化剂筛选实验，之后在环境学院创新实验室II测反应前后污染物质的吸光度，“我计算了一下去除率，突然发现用铜铈可以大幅度提高催化活性！”顿时，喜出望外。

“用铜和铈两种金属作为活性进行负载，负载在轮胎炭上制备成催化剂，这是我们的最大创新点之一。”于杨说，贵金属成本较高，这不符合课题组“以废治废”的初衷，是铜铈廉价过渡金属，提高了催化活性，又降低了成本。

抗生素废水被诊治

氧氟沙星是一种市面上常见的抗生素，广泛用于治疗支气管炎、肺炎、皮肤感染、泌尿和呼吸道感染，每年国内外使用量巨大。据统计，在城市污水处理厂、医院污水、地表水中氧氟沙星分别达到了53～1800 纳克/升、25000～35000 纳克/升和10～535 纳克/升的高检出率，但是传统的废水处理技术无法完全消除。

然而，课题组制备的铜铈轮胎炭催化剂采用了过硫酸盐氧化体系，方便又稳定，可以将大部分有机物质降解为二氧化炭和水。

课题组实验结果显示，在微波的辅助下，铜铈轮胎炭催化剂可高效降解氧氟沙星，水中有机物去除率可达95%以上。“即用更短的反应时间、更低的能量需求、更低的使用成本，达到更高反应速度。”刘西扬补充，课题组还采用微生物呼吸仪测试了生物毒性，发现处理后的毒性明显降低了。

“抗生素废水被降解了，我的一颗纠结的心也被解救了。”从文章投递到半年后收到修改意见，刘西扬悬着的心并没有马上安定下来，他们必须在30天的时间里完成降解机理和微波效应的不同实验。

谈到课题组制备的铜铈轮胎炭催化剂，张永军充满了信心：“该成果对开发制备价格低廉且高效的非均相催化剂具有重要的参考价值，阐明了双金属激发过硫酸盐的机制，对过硫酸盐氧化体系的进一步开发具有指导性意义。这也为废旧轮胎处理处置提供一种新的方式，为难降解有机污染物的控制提供了新的解决方案，为实现‘以废治废’提供了新思路。”

相关论文信息：DOI:10.1016/j.apcatb.2019.04.047