《Processes》：Catalytic Technologies for Arsenic Remediation: A Comprehensive Review of Advanced Oxidation Processes, Bifunctional Materials, and Field Applications
Vanina Soledad Aghemo,
Fernanda Miranda Zoppas,
Jose Sureda,
Tatiane Benvenuti,
Andrea Moura Bernardes and
Fernanda Albana Marchesini
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本文综述了地下水砷污染催化修复技术的最新进展，重点探讨了高级氧化过程（AOPs）、双功能材料及其实地应用。文章强调了催化氧化与吸附的协同作用、创新型可回收材料的设计，以及实验室成果向实际修复场景的转化。通过分析全球热点地区的案例，评估了催化机制、操作效能与环境影响，为下一代砷修复技术指明了可持续的发展方向。
地下水中的砷污染是一个全球性的严峻挑战，对环境和公众健康构成广泛威胁。这篇综述聚焦于近年来快速发展的催化修复技术，特别是那些整合了高级氧化过程（AOPs）、双功能材料和现场规模应用的技术。文章旨在系统梳理最新进展，为下一代修复方案提供蓝图。
引言：无处不在的威胁
砷是一种天然存在的类金属，广泛分布于土壤、水和沉积物中。它通过自然过程（如岩石风化、地热和火山活动）和人为来源（如采矿、冶金和农药施用）进入地下水。其无机形态，特别是亚砷酸盐（As(III)）和砷酸盐（As(V)），是水源中的主要关切对象，其中As(III)的毒性是As(V)的60倍。有机砷化合物通常毒性较低，但砷化氢气体是最危险的形式。
世界卫生组织规定的饮用水砷最大污染水平为10 μg L-1，但在拉丁美洲、亚洲和非洲的许多地区，砷浓度经常远超此限值。全球地下水砷分布图揭示了广泛的污染热点。例如，在阿根廷的查科-潘帕平原，深层水平均浓度高达110 μg L-1，部分地区浅层水浓度甚至超过5000 μg L-1。长期砷暴露会导致慢性地方性砷中毒、皮肤癌、肺癌、膀胱癌、角化病以及心血管和神经系统疾病，对农村和脆弱社区的影响尤为严重。
传统修复技术及其局限
传统的砷修复技术主要包括吸附、膜过滤和混凝-絮凝。吸附因其简单和经济而被广泛应用，其原理是砷分子在固体材料（吸附剂）表面的附着。活性炭、氧化铁和沸石等材料具有大的表面积和功能基团，能增强对砷的亲和力。该过程对As(V)特别有效，因其能在吸附剂表面形成稳定的内层配合物。对于As(III)，由于其在中性pH下不带电荷，主要通过氢键和弱范德华力吸附，形成的配合物稳定性较差。
然而，传统方法通常存在局限性，例如吸附剂容量有限、再生困难、产生含砷废物，以及对于更具移动性和毒性的As(III)形态去除效率较低。这些挑战推动了催化等先进方法的发展。
催化修复技术的曙光
催化修复技术，特别是基于高级氧化过程的技术，为砷污染治理提供了新思路。AOPs的核心是产生活性氧物种，如羟基自由基，它能将As(III)氧化为毒性较低且更易通过后续吸附去除的As(V)。光催化、电催化、Fenton及类Fenton过程是研究的热点。
双功能材料的开发是另一大突破。这类材料不仅作为催化剂促进As(III)的氧化，还能作为吸附剂捕获氧化后的As(V)。例如，负载了铁或锰氧化物的纳米复合材料、金属有机框架（MOFs）等，都展现出了优异的性能和可回收性。MOFs因其可调节的孔隙结构和表面化学，对As(III)和As(V)都表现出高选择性。
从实验室到现场：案例与挑战
技术的可行性最终需要在真实环境中验证。综述分析了来自全球多个砷污染热点地区的案例研究，展示了催化系统在不同水质条件、经济和技术背景下的应用。这些案例不仅证明了技术的可行性，也凸显了知识缺口和可持续性挑战，例如系统的长期稳定性、运营成本、与可再生能源的兼容性，以及如何与现有传统处理工艺有效集成。
未来展望
未来的研究方向包括：开发更高效、稳定且成本低廉的双功能催化剂；设计可与太阳能等可再生能源结合的规模化系统；深入研究复杂水体基质（如共存硝酸盐污染）下的催化机理和性能；以及建立更全面的技术环境和社会经济影响评估框架。通过跨学科合作和创新，催化技术有望为全球，特别是资源有限地区，提供更有效、可持续的砷污染解决方案。
