科学家如何处理饮用水污染物?

存在着各种各样不同的潜在水污染来源——从河床中自然聚集的物理淤泥和沉积物，到有害的水生微生物，再到人造化学品。

通常，这些污染物可以使用相对简单的水处理技术来处理，例如过滤、煮沸和/或化学处理来净化水并去除任何潜在的有害物质。但是对于一些污染物，这些普通的处理是不够的。

为了正确处理这些更具弹性的污染物，科学家们正在不断开发新的、更有效的方法来处理水污染。通过应用材料科学、化学、物理和环境科学的最新进展，研究人员现在能够解决管理饮用水污染方面的一些最复杂的挑战。

处理有弹性的“永久化学品”

全氟烷基和多氟烷基物质(PFAS)就是一类特别难以处理的污染物。

这些人造化学品在20世纪40年代和50年代首次用于商业用途 拒水和拒油性能 使它们成为不粘锅、清洁产品和食品包装的理想涂层。¹从那时起，PFAS的使用逐渐减少，因为制造商意识到它们的缺陷 相关的健康风险 ;在各种动物研究中，PFAS与生殖、发育、肝脏和肾脏以及免疫问题有关。²

然而，尽管PFAS化学品的使用量有所下降，但它仍然是今天饮用水污染的主要风险，最近的研究表明它们的饮用水患病率甚至比之前认为的还要高。^3.

德雷塞尔大学环境工程副教授克里斯托弗·萨勒斯博士解释说:“从技术上讲，从水中“去除”PFAS并不困难，因为我们可以使用吸附材料，如活性炭或离子交换树脂，通过吸附将它们从水中去除。”“然而，你创造了一种被污染的吸附材料，其中含有从水中去除的PFAS。”

PFAS很难被“破坏性地降解”。“PFAS内的氟碳键很难打破——它们需要大量的能量才能打破，而且没有任何生物证明有能力打破它们。”

这种极端的稳定性为PFAS类化合物赢得了“永远的化学物质”的绰号。由于这些化学物质不容易生物降解，PFAS很容易从埋在垃圾填埋场多年的产品中渗透到地表水和地表水中——PFAS污染的水过滤器也是如此。如果这些过滤器处理不当，它们可能成为额外的污染源风险。

Sales和他在德雷克塞尔大学的团队一直在研究处理这些PFAS的替代方法。他们的最新研究发表在1月份的《科学》杂志上环境科学:水研究与技术⁴他描述了使用冷等离子体技术将这些强氟碳键分开，将PFAS分解成更安全的化合物。

冷等离子体或非平衡等离子体技术使用一种称为“滑动电弧等离子体”的装置来产生旋转电磁场，从而激发水样中气泡中的电子。然后，这些高能电子开始分解水中的一些化学物质，有了足够的能量，就可以开始发射紫外线。这种辐射和高能电子的结合达到了能够有效地分裂PFAS化合物中强氟碳键的程度。

在他们的研究中，德雷塞尔大学的研究人员能够去除实验水样中90%以上的长链PFAS化合物，并使用冷等离子体技术对大约四分之一的化合物进行去氟化。这个过程也非常节能，比煮沸同样体积的水所消耗的能量少3到20倍。

赛尔斯解释说:“冷等离子体技术的好处在于，有证据表明，它能够将PFAS破坏性地降解成安全的副产品——二氧化碳和氟化物。”“然而，需要更多的研究来设计冷等离子体技术，以有效地将PFAS矿化成二氧化碳和氟化物。”

研究人员还想在更大的范围内研究这种方法的有效性，并试验是否也可以调整这种方法来处理pfas污染的土壤。

纳米技术能处理被农药污染的水吗?

研究人员正在研究的另一种更新颖的饮用水处理方法是使用工程纳米材料。

米·阿里·艾尔·卡卡尼教授是曲海梅大学国家科学研究所(INRS)纳米结构材料方面的专家，他的同事Patrick Drogui教授是电子技术和水处理方面的专家，他们一直在一起研究使用新材料处理被农药污染的水。

在最近发表于 今天的催化 ⁵ ，两位教授和他们的研究团队描述了使用纳米结构的钨氮共掺杂氧化钛光电极来降解水中的阿特拉津。

阿特拉津是一种相对常见的除草剂，广泛用于玉米、甘蔗和高粱谷物作物，以控制杂草的生长，尽管它的使用现在已经被禁止 在一些国家受到限制 .⁶一个 2018年评估 美国环境保护署的一项研究发现，从食物、饮用水和其他住宅来源长期接触这种除草剂会增加人类生殖和发育问题的风险。⁷

像PFAS一样，阿特拉津也很难用传统的水处理化学品降解，因此，INRS的研究人员试图找到一种更有效的替代品。

他们最近的研究利用了一种UV/可见光驱动的光电催化方法，或PEC，该方法已对阿特拉津进行了优化。本质上，该方法使用两个电荷相反的光敏电极(光电极)。当暴露在光和电势下时，在光电极表面产生自由基。这些自由基能够与存在于水中的阿特拉津分子相互作用，并很容易地降解它们。

通过使用特殊设计的纳米结构材料，科学家们能够最大化光电极的有效表面积，从而允许使用非常小的光电极来处理大量的水。

“使用PEC工艺的主要好处之一是我们不需要添加化学反应物，其中的残留物可能对环境有害。这就像解决了一个问题，消除了阿特拉津，却产生了另一个问题——在水中释放其他化学物质，最终进入环境，”El Khakani教授解释说。“我们开发的共掺杂TiO2:W,N阳极提供的另一个优势是它们吸收阳光的能力，这是可用的和可再生的。”

使用他们特别改造的PEC工艺，研究人员能够消除在阿特拉津添加的脱盐水样品中约60%的阿特拉津。当使用真实的水样品时，最初只有8%的阿特拉津被成功降解，但经过进一步的混凝和过滤处理后，这一比例上升到38%至40%之间。

El Khakani解释说:“与合成水样相比，在真实水中的处理基本上效率较低，因为悬浮中存在许多其他物质——颗粒、其他生化成分等。”“这些物质的存在有两个协同不利的影响:首先，悬浮物限制了阳极对阳光的吸收;其次，原始样品中其他碳氢化合物或化学物质的存在会毒害TiO2:W,N电极的表面，从而限制了其充分的光催化潜力。”

这组作者提出，他们优化的PEC工艺可以有效地作为三级水处理——在标准过滤和混凝步骤之后应用——来捕获阿特拉津和其他类似的新出现的污染物。

参考文献

1. 罗德岛州卫生部。PFAS对水的污染。检索:https://health.ri.gov/water/about/pfas/[最后访问日期:2020年3月19日]。
2. 美国环境保护署。(2018年12月6日)。检索:https://www.epa.gov/pfas/basic-information-pfas[最后访问日期:2020年3月19日]。
3. 埃文斯等.(2020年1月22日)。PFAS污染的饮用水比以前报道的要普遍得多。检索:https://www.ewg.org/research/national-pfas-testing/[最后访问日期:2020年3月19日]。
4. 刘易斯等.(2020)。反向涡旋滑动电弧等离子体快速降解水溶液中的PFAS。环绕。科学。:水资源技术DOI:https://doi.org/10.1039/C9EW01050E
5. Komtchou等.(2020)。多孔沉积tio2光催化氧化阿特拉津的研究₂:紫外/可见光下的WN光阳极。Catal。今天.DOI:https://doi.org/10.1016/j.cattod.2019.04.067
6. 世界卫生组织。(2003)。饮用水中的莠去津。检索:https://apps.who.int/iris/bitstream/handle/10665/75363/WHO_SDE_WSH_03.04_32_eng.pdf[最后访问日期:2020年3月19日]。
7. 美国环境保护署。(2018年7月26日)氯三嗪:累积风险评估-阿特拉津、丙嗪和西马辛。检索:https://www.regulations.gov/document?D=EPA-HQ-OPP-2013-0266-1160[最后访问日期:2020年3月19日]。