利用螺旋流式逆流器从天然水中高效去除砷

《Environmental and Sustainability Indicators》：High-Performance Arsenic Removal from Natural Waters using a Coiled Flow Inverter

本研究利用增强的CFI反应器实现了MgO纳米颗粒对砷的高效快速吸附，在135 mL/min流速下，10 ppm砷溶液的吸附效率达98%，仅需38秒。相比传统批次反应器（24小时），CFI显著缩短处理时间。实验表明，1.5 mg/mL的MgO纳米颗粒在pH 7.34时效果最佳，且对磷酸盐等竞争离子具有选择性吸附。经5次再生循环后，吸附剂仍保持99%的砷去除效率，证实其可重复使用性。研究还验证了CFI的微反应器设计在均匀混合和缩短接触时间方面的优势，为低成本水质净化提供了新方案。

　　在当今社会，随着工业化进程的加快和人口增长，提供安全饮用水已成为一项重要任务。然而，由于水污染问题日益严重，特别是砷污染，这使得水处理技术的研究变得尤为迫切。砷是一种有毒的重金属污染物，即使在低浓度下，也可能对人类健康造成威胁，导致皮肤病变、发育障碍、心血管疾病、肾功能衰竭和肺癌等严重后果。因此，开发高效、低成本、可持续的水净化系统成为解决这一问题的关键。

本研究聚焦于一种创新的微型反应器——螺旋流动倒置器（CFI），旨在探索其在连续去除砷（V）方面的潜力。CFI反应器通过增强的径向混合特性，提高了物质传递效率和反应均匀性。与传统的批次吸附相比，CFI能够显著缩短处理时间，从24小时缩短至38秒，同时保持高去除效率。这种高效性对于需要快速处理的水污染场景具有重要意义，例如在资源有限的地区，可以迅速提供安全饮用水。

研究采用了镁氧化物（MgO）纳米颗粒作为吸附材料，评估了多种关键参数对其去除砷（V）效果的影响，包括流速（10 mL/min 和 135 mL/min）、初始污染物浓度（1-200 ppm）、吸附剂用量（0.2-2 mg/mL）、pH值（2-10）以及竞争离子（磷酸盐、硫酸盐、氯离子和碳酸盐）的存在。实验结果表明，在流速为135 mL/min、初始砷（V）浓度为10 mg/L、吸附剂用量为1.5 mg/mL的条件下，MgO纳米颗粒的吸附容量达到了184 mg/g，去除效率高达98%。此外，CFI反应器在竞争离子存在的水体中仍表现出良好的选择性（72-78%），并且在五次循环后仍能保持99%的吸附效率，显示出其良好的可回收性和实用性。

在实际应用方面，研究使用了真实水样（如Torrens河的水）进行测试，以模拟自然水体的复杂条件。结果表明，即使在含有多种竞争离子的情况下，MgO纳米颗粒在CFI反应器中仍能有效去除砷（V）。这说明该技术不仅适用于实验室环境，也具有实际应用的潜力。此外，研究还对比了CFI反应器与传统批次吸附以及商用活性炭的性能，发现MgO纳米颗粒在CFI中表现出显著更高的去除效率，且在短时间内即可完成处理，表明其在水处理领域的优势。

研究进一步探讨了MgO纳米颗粒的吸附机制，包括表面络合和静电相互作用。在酸性至接近中性的pH条件下，表面羟基（Mg–OH）通过质子化形成正电荷位点，从而吸引负电荷的砷酸盐离子。同时，表面羟基与砷酸盐离子之间的配体交换促进了内球络合物的形成，增强了吸附效果。通过XRD、FTIR、TGA和SEM等分析手段，研究验证了吸附过程对MgO结构的影响，以及吸附物在纳米颗粒表面的均匀分布。

CFI反应器的设计特点，如螺旋结构和90度弯道的周期性反转，能够有效增强径向混合，减少轴向扩散，从而提高吸附效率。这种结构不仅优化了流体动力学性能，还降低了系统的体积和能耗，使其成为一种紧凑且高效的水处理技术。此外，CFI反应器的运行条件对吸附性能的影响进行了详细分析，结果显示在不同流速和pH条件下，吸附效率均保持较高水平，表明其具有广泛的适用性。

在实际应用中，研究还探讨了MgO纳米颗粒的再生性能，通过添加1 M NaOH溶液进行脱附处理，可以恢复其吸附能力。再生过程不仅减少了吸附剂的使用量，还降低了整体成本，为大规模应用提供了可能。此外，研究发现，在低浓度砷（V）的情况下，MgO纳米颗粒的吸附效率仍保持在较高水平，表明其在处理不同水质条件下的适应性。

综上所述，本研究通过CFI反应器结合MgO纳米颗粒，展示了一种高效、经济、可持续的砷去除技术。该技术不仅能够在短时间内实现高去除效率，还能在实际水样中保持良好性能，具有广阔的应用前景。未来的研究可以进一步探索CFI与其他水处理技术的结合，以提高其在不同应用场景下的适用性和效率。同时，对CFI反应器的详细技术经济分析也将是推进其实际应用的重要方向。