科学家如何解决饮用水污染物问题?

水污染有各种各样的潜在来源，从自然积聚在河床上的泥沙和沉积物，到有害的水中微生物，再到人造化学物质。

通常可以使用相对简单的水处理技术来处理这些污染物，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。但对于某些污染物，这些普通的处理是不够的。

为了妥善处理这些更有弹性的污染物，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、物理学和环境科学的最佳进展，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“永远的化学物质”

每氟烷基物质和多氟烷基物质(PFAS)就是这样一类污染物，处理起来特别困难。

这些人造化学物质在20世纪40年代和50年代首次用于商业 拒水和拒油的特性 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，随着制造商意识到他们的缺陷，PFAS的使用已经慢慢下降 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，尽管使用量有所下降，但PFAS化学品仍然是当今饮用水污染的主要风险饮用水的流行程度甚至比之前认为的还要高。^3.

德雷克塞尔大学环境工程副教授克里斯托弗·萨莱斯博士解释说:“从技术上讲，PFAS不难从水中“去除”，因为我们可以使用活性炭或离子交换树脂等吸附材料，通过吸附将它们从水中去除。”“然而，你创造了一种受污染的吸附材料，其中含有从水中去除的PFAS。”

“PFAS很难‘破坏性降级’”Sales继续说道。“PFAS内的氟碳键很难被打破——它们需要大量的能量才能被打破，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“永远的化学品”的绰号。由于这些化学物质不容易生物降解，PFAS很容易从已在垃圾填埋场中放置多年的产品中浸出到地下水和地表水中，PFAS污染的水过滤器也是如此。如果这些过滤器没有被正确处理，它们可能成为额外的污染源风险。

萨尔斯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一月份的杂志上环境科学:水研究与技术“，⁴，描述了使用冷等离子体技术将这些强氟碳键分开，将PFAS分解为更安全的化合物。

低温或非平衡等离子体技术使用一种称为“滑翔电弧等离子体加速器”的设备来产生旋转电磁场，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，并在足够的能量下开始发射紫外线辐射。这种辐射和高能电子的结合达到了能够有效分裂PFAS化合物中强氟碳键的程度。

在他们的研究中，德雷克塞尔大学的研究人员能够去除实验水样中超过90%的长链PFAS化合物，并使用冷等离子体技术去除大约四分之一的化合物。这个过程也非常节能，与烧开同样体积的水相比，它所消耗的能量要少3到20倍。

“冷等离子体技术的好处是，有证据表明，它能够破坏性地将PFAS降解为安全的副产品——二氧化碳和氟化物，”Sales解释说。“然而，还需要更多的研究来设计冷等离子体技术，以有效地将PFAS矿化为二氧化碳和氟化物。”

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。

My Ali El Khakani教授是Québec大学国家科学研究所(INRS)的纳米结构材料专家，他的INRS同事Patrick Drogui教授是电工技术和水处理方面的专家，他们共同研究了新材料在农药污染水处理中的应用。

在最近发表的一篇论文中 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钨氮共掺杂氧化钛光电极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广泛使用 在一些国家受到限制 ．⁶一个 2018年评估 来自美国环境保护署的研究人员发现，从食物、饮用水和其他居住来源中长期接触除草剂会增加人类生殖和发育问题的风险。⁷

与PFAS一样，阿特拉津也很难被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紫外线/可见光驱动的光电催化方法(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，自由基就会在光电极表面产生。这些自由基能够与存在于水中的阿特拉津分子相互作用，并容易降解它们。

通过使用特殊设计的纳米结构材料，科学家们能够最大限度地提高光电极的可用活性表面积，从而允许使用非常小的光电极处理大量的水。

“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。这就像通过制造另一个问题来解决一个问题，去除阿特拉津——在水中释放其他化学物质，最终释放到环境中，”El Khakani教授解释说。“我们开发的共掺杂TiO2:W,N阳极的另一个优势是它们吸收阳光的能力，这是可用的，可再生的。”

使用他们特别适应的PEC工艺，研究人员能够消除阿特拉津添加的脱盐水样品中存在的约60%的阿特拉津。当使用真正的水样本时，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%。

El Khakani解释说:“与合成水样相比，在真实水中处理的效率基本上较低，因为悬浮中存在许多其他物质——微粒、其他生化成分等。”“这些物质的存在有两个协同的不利影响:首先，悬浮物质限制了阳极的阳光吸收;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。”

作者认为，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——以捕获阿特拉津，也许还可以捕获其他类似的新出现的污染物。

参考文献

1. 罗得岛州卫生部PFAS水污染。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). PFAS基本情况。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饮用水污染远比之前报道的更普遍。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)。反旋流滑动电弧等离子体快速降解水溶液中的PFAS。环绕。科学。: Water Res. Technol。DOI:https://doi.org/10.1039/C9EW01050E
5. Komtchou等．(2020)。溅射沉积二氧化钛光电催化氧化阿特拉津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)。饮用水中的阿特拉津。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)。氯三嗪类:累积风险评估-阿特拉津，丙嗪和西马津。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]。