科技创新

第一作者：付丽亚

通讯作者：吴昌永

通讯单位：中国环境科学研究院

论文DOI：10.1021/acs.est.5c07324

文章导读

我院环境污染控制工程技术研究中心研究团队在Environmental Science & Technology上发表了题为“Bridging Dissolved Organic Matter Reactivity to Ozonation Catalysts for Cu@Al2O3 from the Molecular Level by Machine Learning”的论文。为了解决溶解有机物（DOM）差异导致臭氧催化氧化机制复杂、催化剂难以优化的问题，该研究使用了一种创新的数据驱动策略，通过将分子水平结构特征、反应行为与催化剂表面性质有机结合，构建了一个从分子尺度到工艺性能的整体视角，为复杂工业难降解废水的高效处理与其对应材料特征的定向设计提供了新思路。本研究得到北京市自然科学基金（8242044）的支持。

文章亮点

1.SHAP解释结果表明：去除分子普遍具有高芳香性，含杂原子（N、S）且分子量较大等特征；

2.构建了“催化剂描述符DOM去除特征”桥接框架，为不同复杂水质废水的催化剂定向设计与性能优化提供了科学依据。

研究目的

臭氧催化氧化作为常用于处理难降解有机废水的高级氧化技术（AOP），其处理效率受DOM分子组成及催化剂理化特征的共同影响。然而，DOM反应性与催化剂结构特征之间的内在联系仍缺乏系统认识。本研究通过结合FT-ICR-MS分析、常规水质指标与催化剂表征数据，并引入可解释的机器学习模型，系统阐明DOM结构特征与催化剂表面性质对氧化反应行为与去除效率的影响机制。研究进一步识别用于工艺评价的代表性指标，并为复杂废水条件下臭氧催化剂的理性设计与优化提供科学依据。

研究结论

1.臭氧催化氧化对不同废水的处理表现显著差异

选取Cu@Al2O3催化剂对三种典型难降解废水进行臭氧催化氧化实验。结果显示，三种废水的处理效果存在明显差异，总有机碳（TOC）去除率为19.1%−58.6%，UV254降低54.5%−80.6%。

2.分子反应性特征与随机森林模型识别

傅里叶变换离子回旋共振质谱技术揭示出DOM存在分子级异质性，随机森林模型通过监督学习在67.3%−80.4%的准确率下将分子分类为被去除、惰性保留及新生成三类。且被去除类分子主要为芳香族、含杂原子（N, S）及高分子量特性。处理过程中的主要反应类型包括臭氧催化氧化过程中的加氧、脱烷基、脱羧、脱氨基和脱磺基反应。

3.催化剂特征描述符与DOM去除行为的对应关联

催化剂理化特征与特定DOM去除效果之间的存在显著联系，证明不同催化剂结构特征在反应选择性和有机物去除效率中发挥着关键作用。为建立结构–性能关系与优化催化材料设计提供了科学依据，并为今后不同废水类型下的催化剂筛选与调控提供了理论支撑。

基于上述理论突破，该团队开发了国内首个催化剂配方智能设计平台，革新了臭氧催化剂规模化混合法绿色生产工艺，吨产品降低碳排超60%，成本降低超3000元，形成了一系列牌号产品，用于国内几十项臭氧催化氧化工程，支撑了有毒难降解有机污染物的减排。

作者简介

第一作者：付丽亚

副研究员，硕士研究生导师，主要从事难降解废水污染控制技术研究，包括水质解析、生物处理、臭氧氧化等技术。主持国家自然科学基金青年科学基金项目（C类）1项；累计发表学术论文40余篇，其中以第一或通讯作者身份在Environmental Science & Technology，Environmental Science and Ecotechnology等期刊发表论文18篇；以第一发明人授权国家发明专利3项；出版专著5部；参加国家标准1项；获“中国发明协会发明创业二等奖”；2021年起列入中国环境科学研究院“青年英才实施计划（科技英才）”。

通讯作者：吴昌永

研究员，硕/博士研究生导师，国家生态环境保护专业技术青年拔尖人才。主持国家、省部级和地方、企业研发项目60多项；发表学术论文150余篇，其中以第一或通讯作者在Nature Communications，Environmental Science & Technology，Water Research等期刊发表SCI论文80余篇；授权专利30项，产业化1项；出版中文著作6部，英文著作1部；参与制修订国家标准3项；研发技术工程应用规模超过5000万吨废水/年，获中国发明协会发明创业二等奖、中国产学研合作促进会产学研创新奖和中华环保联合会杰出青年科技奖等奖励。