【创新前沿】我校水中高风险有机砷去除及风险控制研究取得系列进展

稿件来源：资环学院 |作者：资环学院 |摄影：资环学院 |编辑： |浏览量：1800

资环学院

近日，我校资源与环境工程学院周彦波教授团队在去除水中高风险有机砷的研究中取得了重要进展，采用光协同原位芬顿氧化技术对洛克沙胂等有机砷类污染物取得了良好去除效果，相关成果发表在Chemical Engineering Journal和Journal of Hazardous Materials上。

洛克沙胂（ROX）作为一种能提高饲料转化率、促进畜禽生长的饲料添加剂，曾被广泛应用于畜禽养殖行业。虽然目前已被禁用，但其在自然环境中的存量风险不容小觑。ROX很难被动物体完全代谢，超过90%的ROX最终会随畜禽粪便进入环境中。据报道，畜禽粪便中检出的ROX浓度高达14-54 mg/kg，而ROX在自然环境中可分解为无机砷物种（iAs），很容易通过食物链威胁人体健康与生态安全。因此，开发一种高效去除水中ROX的处理技术具有重要意义。传统处理技术中，吸附技术处理有机砷污染物水力停留时间较长，而化学氧化技术总砷去除率不佳。对此，我校周彦波教授团队构建了一类太阳光驱动的原位芬顿氧化体系，该体系通过“预氧化-原位吸附”协同作用来高效去除ROX及其氧化产物无机砷(iAs)，实现对水中高风险有机砷污染物的消减与控制。

图片说明：(a)光协同原位芬顿氧化体系（Fe(II)/RF-O₂）高效转化洛克沙胂；(b) 体系 pH对Fe(II)/RF-O₂ TOC去除率和总砷去除率的影响；(c) 光协同原位芬顿氧化体系去除ROX的增效机制；(d) Fe(II)/RF-O₂实现对ROX的高选择性氧化

该工作构筑了一种光协同原位产过氧化氢（H₂O₂）的芬顿氧化体系（Fe(II)/RF-O₂）。该体系由间苯二酚-甲醛树脂（RF）作为主要光催化材料，RF中醌型间苯二酚作为电子受体(A)与苯型间苯二酚作为电子供体(D)通过甲烷连接剂π-共轭，形成D-A对。D-A对的π-堆积相互作用促进了最高占据轨道（HOMO）和最低占据轨道（LUMO）的杂化，能带结构配适于分子氧（O₂）还原生成H₂O₂，使得RF具有较高的H₂O₂光催化活性，进而促进H₂O₂快速分解生成高浓度OH攻击ROX分子。该体系通过“预氧化-原位吸附”协同作用高效去除有机砷化合物ROX和其释放的无机砷（iAs），对ROX的总有机碳（TOC）去除率达到75%，对总砷的去除率达到97%以上，处理后体系的残留砷小于12.5 µg/L，远小于再生水中砷的推荐限值（100 µg/L），以太阳光驱动的原位芬顿氧化体系Fe(II)/RF-O₂实现了有机砷污染物的风险控制。该项研究工作以题为“Efficientremoval of roxarsone and emerging organic contaminants by a solar light-drivenin-situ Fenton system”发表在Chemical Engineering Journal上（DOI: doi.org/10.1016/j.cej.2021.132434）。

图片说明：(a)FeS₂-RFR适配产H₂O₂的能带结构；(b) FeS₂-RFR光协同原位芬顿体系高效氧化ROX；(c)不同氧化体系氧化降解ROX的动力学拟合；(d)FeS₂-RFR原位分解H₂O₂产生高浓度羟基自由基；(e) FeS₂-RFR高选择性转化ROX生成低毒五价砷（As(V)）

此外，针对均相体系易产生含铁污泥废弃物等问题，周彦波教授团队还构建了一种非均相光协同原位芬顿氧化体系（FeS₂-RFR）。FeS₂-RFR合适的能带结构有利于太阳光的高效吸收，形成的异质结能有效促进光生电子和空穴的分离提高光能利用率。FeS₂-RFR可利用广谱太阳光产生将O₂通过双电子还原路径转化成H₂O₂，H₂O₂产量高达500μmolg^-1h^-1。同时，FeS₂原位分解H₂O₂以产生高浓度OH，从而实现ROX的高效降解。反应过程中的光生电荷参与FeS₂表面Fe³⁺/Fe²⁺的循环，避免了传统芬顿体系需要额外添加H₂O₂的不足。最终，ROX被选择性地转化为CO₂、NO₃^-和毒性较小的五价砷，为后续砷的完全去除提供了有利条件。此外，该光协同原位芬顿氧化体系不受自然水体中常见阴阳离子和腐殖酸的干扰，在实际水体中仍具有良好的氧化性能。相关工作以“In-situproduction and activation of H₂O₂ for enhanceddegradation of roxarsone by FeS₂ decorated resorcinol-formaldehyderesins”为题发表在Journal of Hazardous Materials（DOI：doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.127650）。

上述工作由周彦波教授团队的李霞、何洁等研究生和周易特聘副研究员完成，得到了国家自然科学基金、上海市优秀技术带头人项目、上海市扬帆计划等项目的支持。