南京工业大学徐炎华教授课题组在含砷废水处理方面取得新进展

近日，南京工业大学环境学院徐炎华教授等人在Science of the Total Environment上发表了题为 “SEffective and simultaneous removal of organic/inorganic arsenic using polymer-based hydrated iron oxide adsorbent: Capacity evaluation and mechanism”的研究论文（Science of the Total Environment 742 (2020) 140508）。该论文介根据不同类型砷的分子结构和理化性质，从吸附剂的骨架性质及其对被吸附物的亲和力和选择性的角度出发，制备了负载水合氧化铁的离子交换树脂复合材料，系统研究了它对有机砷和无机砷的吸附性能。本文为同时处理含多类含砷化合物的含砷废水提供了思路。

引言：有机砷被广泛用作动物饲料添加剂，以此来杀死寄生虫和促进动物生长。动物摄入的大部分有机砷不会在其体内发生代谢反应，它们以未改变的化学形态直接通过粪便和尿液排出体外。尽管有机砷毒性较低，但它们可以通过非生物和生物转化为高毒性的无机砷，从而污染土壤和水。无机砷在含氧、高pH条件下，往往以五价砷离子（As(V)）的形式存在。长期接触无机砷会增加人类患癌症的风险，因此有必要采取有效的方法来处理水溶液中的砷。

吸附具有操作简单、成本低等特点而受到广泛关注。目前，主要的砷吸附材料有活性炭、金属氧化物、聚合物材料等。然而，这些材料存在一些缺点。例如，金属氧化物具有高吸附能力和理想的再生能力，但它们的机械强度低且容易堵塞，难以直接应用于柱吸附。聚合物吸附剂具有纳米孔结构，可调节的表面化学性质和有效的再生能力等特点，然而他们对污染物的去除仅限于单一的物理或化学吸附，难以同时去除多种环境污染物。因此，有必要开发一种新型的功能性吸附剂，以同时去除不同的砷污染物。

无机砷在溶液中以离子形式存在，可通过静电或配位作用吸附它。对于有机污染物，范德华力是各种吸附材料共有的共同相互作用。微孔填充是具有微孔结构的材料的另一重要吸附途径。吸附剂表面有机污染物与官能团之间发生的常见相互作用包括酸碱相互作用，氢键和π–π–电子供体–受体相互作用（π–π–EDA）。同时去除水中有机毒物和无机污染物的关键在于将不同的吸附位有效地结合成一个单元。开发出能够同时去除有机砷（PAC）和无机砷的吸附材料仍然存在挑战。

本文利用阴离子交换树脂来负载水合氧化铁HFO合成HFOR，并用于同时从水中去除p-ASA和As（V）。首先，分析了HFOR的理化性质，综合评估了HFOR在不同砷物种上的吸附性能。其次，系统研究了HFOR对p-ASA和As（V）的等温平衡及吸附动力学，揭示了不同砷的吸附途径，并研究了pH和共存物质对HFOR吸附性能的影响。最后，进行了循环吸附再生和固定床柱实验，以评估该材料在长期应用中的可行性。

图1在（a）单一和（b）二元体系中，As（V）和p-ASA在五种吸附剂上的吸附

HFOR能有效地同时去除溶液中的As（V）和p-ASA。该研究有望为研究去除特定的共存水污染物提供新思路，并扩大功能树脂在水污染控制领域的应用范围。由于在p-ASA存在下As（V）的优先吸附，可以通过不同的途径将不同的砷物质吸附到HFOR上。

图2溶液pH对（a）单一体系和（b）二元体系中As（V）和p-ASA吸附的影响

溶液中有As（V）存在时，p-ASA的吸附被抑制，p-ASA的最大吸附容量为21.73 mg/g，低于单一体系的最大吸附容量（41.16 mg/g）。而p-ASA的存在对As（V）的吸附过程影响很小，这表明HFOR对As（V）具有很强的亲和力和高选择性。优先吸附发生的原因有两个。首先，静电作用的强度强烈依赖于pH，在相同pH下，As（V）携带的负电荷量高于p-ASA携带的负电荷量。其次，p-ASA和As（V）可以与HFO特异性键合形成复合物。As（V）可以提供四个可能的位点以与HFO形成单核复合物，而p-ASA只能提供三个边缘位置以与HFO形成单核复合物。与p-ASA相比，As（V）可以提供更多的配位点，从而使前者可以轻松地与HFO形成表面配合物。因此，当As（V）和p-ASA共存于一个系统中时，HFOR对As（V）的吸附容量高于p-ASA。