纳米颗粒选择性去除地下水中氟化物的性能评估及关键水质参数影响机制

针对印度拉贾斯坦邦地下水氟化物(F?)污染问题，研究人员系统评估了10种金属纳米颗粒(NPs)在自然地下水条件下的除氟效能。研究发现nLa2O3在复杂水质中仍保持11.12 mg/g吸附容量，Ca2+/Mg2+和TDS是主要干扰因素。该研究为开发适应区域特性的饮用水净化技术提供科学依据，直接响应SDG 6和SDG 3目标。

　　

在全球范围内，地下水氟化物(F^?)污染已成为威胁数亿人健康的严峻问题。印度拉贾斯坦邦作为典型半干旱地区，超过62%的采样点检出F^?浓度超WHO限值(1.5 mg/L)，29%的样本甚至超过致骨骼氟中毒的4 mg/L阈值。传统除氟技术如反渗透和离子交换虽有效，但高昂成本制约其在资源匮乏地区的应用。纳米颗粒(NPs)吸附法因操作简便、成本低廉备受关注，但现有研究多局限于理想水质条件(DI water)，对复杂自然地下水体系中多种离子共存的干扰机制认识不足。

为破解这一难题，国内研究人员开展了一项系统性研究。通过采集拉贾斯坦邦39个采样点的地下水样本，结合批量吸附实验，首次全面评估了nAl₂O₃、nZnFe₂O₄、nLa₂O₃等10种NPs在真实地下水环境中的性能差异。研究发现，尽管nAl₂O₃在DI水中表现最优(吸附容量达18.7 mg/g)，但在含高浓度Ca²⁺(2035 mg/L TDS)的自然水体中，其效率骤降80%。令人意外的是，nLa₂O₃展现出卓越的环境适应性，在复杂水质中仍保持11.12±2.0 mg/g的稳定吸附容量，这归因于La³⁺与F^?的特异性配位作用。通过主成分分析进一步揭示，TDS和硬度(699 mg/L)是影响NPs性能的最关键参数，其通过竞争吸附位点和改变表面电位双重机制干扰除氟效率。

关键技术方法包括：1) 拉贾斯坦邦39个采样点的地下水样本采集与水质参数检测；2) 10种NPs在DI水和自然地下水中的批量吸附实验；3) 使用ICP-MS和离子色谱分析离子浓度；4) 主成分分析(PCA)确定关键干扰参数。

【氟污染现状】
采样数据显示70%水样F^?超标，最高达3.56 mg/L，且伴随高TDS(2035 mg/L)、硬度(699 mg/L)和碱度(504 mg/L)等复合污染特征。

【NPs性能排序】
DI水中吸附容量排序：nAl₂O₃≈nZnFe₂O₄>nZnO≈nMgO.Al₂O₃>nMgO>nCeO₂>nLa₂O₃>nAlCeO₃>nFe₂O₃≈nAl₂TiO₅>n(CeO₂).(ZrO₂)；自然水体中nLa₂O₃表现最优。

【关键干扰因素】
Ca²⁺/Mg²⁺通过静电竞争降低NPs表面活性位点利用率，TDS>2000 mg/L时所有NPs效率下降40-60%。

结论与讨论指出，该研究首次建立NPs性能-水质参数的定量关系模型，为区域定制化水处理方案提供理论支撑。建议在实际应用中采用nLa₂O₃基复合材料，并配套预软化工艺以提升效率。研究成果直接助力解决半干旱地区安全饮水难题，为实现联合国可持续发展目标(SDG 6和SDG 3)提供技术路径。论文的创新性在于突破实验室理想条件限制，填补了NPs在真实环境应用中系统性评估的空白。