科大開創新型水淨化技術 精準聚合污染物 經濟效益提升近倍

廢水處理是全球環境保護與公共衛生的重要課題。香港科技大學（科大）近日取得重大科研突破，成功揭示一種嶄新的「無氧化劑電催化」機制，為水淨化技術開闢全新方向。與現行技術相比，該技術能精準識別並鎖定目標污染物，將能源更有效地集中於關鍵處理環節，在顯著提升淨化效率的同時，經濟效益提高近一倍。

此項研究由科大土木及環境工程學系講座教授勞敏慈教授領導的團隊完成，成果已發表於《自然通訊》，論文標題為「Iodine-mediated proton-coupled electron transfer enables selective polymerization of organic pollutants in an oxidant-free electrocatalytic system」。 研究團隊成員包括科大副研究員鄭澤校博士、博士生張金、博士後研究員Jonathan J. CALVILLO SOLÍS博士、哲學碩士生張祐銘，以及科大校友Ashutosh KUMAR教授、關小紅教授和董浩然教授。

在現行的廢水處理技術中，業界普遍採用「高級氧化程序」降解水中的有機污染物。然而，傳統技術通常需要消耗大量氧化劑，對「總有機碳」（Total Organic Carbon，簡稱TOC）的去除效果相當有限，並容易產生具毒性的中間副產物。解決這些問題的主要方法是採用聚合反應，將可溶性酚類污染物轉化為不溶於水且具疏水性的聚合物，以便後續分離和回收。然而，此過程存在動力學失衡的問題，加上缺乏對污染物的選擇性，相關技術的處理效率和整體成效一直未如理想。

勞教授表示：「現行廢水處理技術充分發揮聚合反應處理廢水的潛力，必須突破傳統框架，克服動力學失衡的限制，並提升對目標污染物的選擇性。我們這項研究的重大突破，在於發現了一種嶄新的機制，能夠精準鎖定有害的可溶性污染物並進行選擇性聚合，將其轉化為不溶於水且具附加價值的產物。這項突破不僅提升廢水處理效能，更為環境資源回收開闢新方向。」

團隊以自製的富碘氧碘化鉍塗層碳布（I-BiOI@CC）陽極作為案例，發現兩種不同傳輸動力學之間的協同作用，會造成高度選擇性的聚合。首先，碘封端表面充當「分子掛鉤」，與酚羥基形成專一氫鍵（H^δ+···I^δ⁻），即使在複雜基質中，也能準確捕捉污染物。然後，在溫和陽極極化下，表面碘發生高度穩定、可逆的氧化還原轉變（3I⁻ ⇌ I₃⁻）。

這兩套機制的協同效應形成了一種經優化的電子傳遞介體，能平穩地從吸附的酚類捕捉電子，使局部自由基通過熱力學上有利的鄰位C–O偶聯路徑進行自偶合。這實現了可回收聚合物與水的有效分離，同時避免過度氧化。

勞教授解釋：「透過質子與電子轉移的耦合動力學，這套電催化系統能實現高達97.1%的聚合選擇性。我們的實驗證明，未來的水淨化技術毋須帶破壞性或依賴大量化學藥劑，而是可以達到高選擇性，同時促進資源回收。」

在去除污染物的效率方面，該機制不僅在廣泛pH值範圍（pH 5-9）及複雜化學環境下表現卓越，與礦化導向技術比較，其能耗比更降低了2至4個數量級，令經濟效益提升近一倍。由於新技術的能耗只需要每公斤TOC耗電2.93度，大幅降低操作成本。去除每公斤TOC，成本僅為約0.3美元，顯示出新機制強大的市場應用潛力。

值得注意的是，該機制在操作過程中毋須添加任何外部氧化劑，更具環境安全性。研究團隊進行的模擬測試與實驗顯示，新技術有效降低二次污染風險，並消除化學品運輸帶來的潛在危害，提升其在不同工程環境下的應用安全性。

此外，此項研究還建立了一個更全面的可持續性評估模型，用以預測新技術對環境及生態的影響。不同於傳統生命周期評估主要聚焦碳排放這一單一領域，該模型涵蓋18個不同環境影響領域。結果顯示，與標準芬頓系統比較，新技術的碳足跡為負值（-42.78 kg二氧化碳當量）。96小時斑馬魚胚胎試驗及費氏弧菌測試均顯示，廢水經處理後，生物毒性顯著降低，並能支持斑馬魚胚胎健康及正常地發育成為幼魚，為生態保護提供了更全面的物理標準。

對於未來發展，勞教授寄予厚望。她說：「在下一階段，我們期待開展更大規模研究，以評估這種科技在實際工業應用中技術、經濟效益與可持續性。」