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她，名校終身教職，全職加盟南科大！致力于解決砷問題，“水”得一篇Nature Water！

成果簡介

在全球范圍內，數百萬農村家庭使用地下水飲用，不可避免的接觸到無機砷，通常是亞砷酸鹽（As(III)）。對健康保護至關重要的是，基于吸附的處理對砷酸鹽（As(V)）有效，但是對吸附較慢的As(III)無效。雖然液體氧化劑在使用上有點不切實際，但在入口點處理中被廣泛用于將As(III)預氧化為As(V)，以獲得更好的性能和節約成本。基于此，南方科技大學鄭焰講席教授和美國斯蒂文斯理工學院孟曉光教授（共同通訊作者）等人報道了二氧化錳（MnO₂）改性活性炭（一種固體氧化劑）被整合到一個使用點（point-of-use, POU）系統中，顆粒狀納米TiO₂作為主要吸附劑，用于兩個實際生活的測試，提供低于每升水0.01美元。

一組是在美國新澤西州的一個家庭中進行為期4個月的測試，有效處理了4200 bed體積（~2.1 m³）地下水，As含量為69±16 μg l^?1 As（78±5% As(III)）。另一組是在中國銀川市的一個家庭中進行為期28個月的測試，有效處理了10000 bed體積（~5.0 m³）地下水，As含量為42±21 μg l^-1（33±21%）。通過對進水、出水和固相As、Fe和Mn進行了仔細分析，并進行了隨后的質量平衡計算，闡明了As和混雜離子的去除機制。地下水基質和過濾介質之間的相互作用會影響性能，因此需要通過長期部署來驗證家庭As去除技術。

圖1.去除As的廚房水槽POU示意圖以及處理記錄

相關工作以《MnO₂-modified activated carbon and granular nano-TiO₂ in tandem succeed in treating domestic well water arsenic at point of use》為題在《Nature Water》上發表論文。其中，鄭焰，南方科技大學講席教授。曾任北京大學講席教授、美國紐約市立大學皇后分校環境與地球科學院助理教授至終身教授及主任、美國紐約市立大學研究生院化學部終身教授、美國紐約市立大學公共衛生學院終身教授、聯合國兒童基金會駐孟加拉國水及環境衛生項目專員。發表論文100多篇，內容涉及海洋地球化學、水文地質學、水化學分析方法、飲用水安全、環境風險與人體健康、以及可持續發展等。在聯合國任職期間帶領約20人的團隊將多年的研究成果應用于孟加拉國地下水資源的開發，解決了200萬高砷暴露人口的飲水安全問題。現任或已經擔任過國際刊物（Environmental Health Perspective, Journal of Geochemical Exploration, Science of the Total Environment, Science Bulletin）的副主編或專刊主編。2010年當選美國地質學會會士。

圖文解讀

當F3超過10 μg l^-1后，在處理水中總砷濃度超過10 μg l^-1前，井水產量約為2.1 m³或4200 bed體積。未處理的水中As和As(III)的總濃度分別為54~92 μg l^-1和43~70 μg l^-1，其中78±5%的As為As(III)。總As突破前，總As、As(III)和As(V)的去除率較高，分別為96±3%、97±4%、91±3%，但隨著時間的推移，它們的去除率逐漸下降。在3.0 m³ F3后，As(III)最終突破11 μg l^-1時，總As、As(III)和As(V)去除率分別降至71%、75%和62%。

在去除As(III)失效前，處理了約10000 bed體積（~5.0 m³）的水，與總As突破一致。在為期28個月的測試中，供水有三個來源，其特征不僅是主要離子組成不同，而且As(III)和As(V)的濃度也不同。對于含有10±7 μg l^-1 As(III)的前3.12 m³進水，POU過濾器對As(III)的去除率很高（86±10%），在5.38 m³時開始大幅下降至2%，在3.42—5.09 m³之間短暫回升至37±12%。在7.74~9.92 m³之間又短暫回升至28±7%，最后又降至≤10%。在處理容積為5.53 m³的第一次源水切換后，此時As(V)的去除率仍然很高（97%），但處理水中的As和As(III)總量開始超過10 μg l^-1。

圖2.進水和出水成分與處理水體積的關系

在中國銀川市的28個月部署期間，納米TiO₂捕獲了約157 mg As（占總去除As的77%），其中包括23 mg As(III)；在美國新澤西州的4個月部署期間，納米TiO₂捕獲了約131 mg As（占總去除As的77%）。F1出水為MnO₂和As(III)反應產物，As(V)和Mn(II)反應產物。兩者都被納米TiO₂捕獲在F2中，導致As和Mn的濃度最高，As和Mn的質量積累最多。在F2中鹽酸可提取As（18 mg kg^-1）和PO₄可以提取As（30 mg kg^-1）的小池中，As(V)分別占50±12%和43±4%。

圖3.實際性能測試

由于As相關微生物的豐度太低而無法檢測到，包括MnO₂預氧化在內的As吸附去除可能是非生物的。在所有三個過濾器中，鐵氧化細菌的相對豐度較高表明，Fe(II)-Fe(III)反應可能是微生物介導的，涉及N和S的氧化還原反應也是如此，在較小程度上，涉及Mn(II)-Mn(III)-Mn(IV)。

圖4.銀川市POU中微生物介導的Fe、N和S反應

文獻信息

MnO₂-modified activated carbon and granular nano-TiO₂ in tandem succeed in treating domestic well water arsenic at point of use. Nature Water 2024, DOI: https://doi.org/10.1038/s44221-024-00268-9.

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