降低陶瓷水过滤器中砷的浸出：烧制气氛与铁矿物转化的影响

《Journal of Hazardous Materials》：Mitigation of arsenic leaching from ceramic water filters: Effects of firing atmosphere and Fe mineral transformation

　　

摘要

陶瓷水过滤器作为一种高效且可持续的饮用水处理技术已被广泛应用，但该过滤器存在砷元素渗出的问题，这引发了人们对砷暴露风险的担忧。本研究以三种铁含量不同的黏土为原料，系统研究了烧制环境（有氧与无氧）对砷渗出的影响。通过过滤实验和批量实验发现，有氧条件下烧制的陶瓷水过滤器会释放大量砷，且原料黏土中的铁含量越高，砷的渗出速率也越高。出乎意料的是，无氧条件下烧制的陶瓷水过滤器的砷渗出量比用高铁含量黏土制成的产品降低了多个数量级。进一步的提取分析和矿物学研究表明，陶瓷烧制过程会显著降低与结晶态铁羟氧化物相关的砷含量。在有氧条件下烧制的过滤器中，这些砷会重新分布到极易溶的组分中，同时形成赤铁矿[Fe(III)]。而在无氧条件下烧制的过滤器中，重新分布的砷则滞留在残余或非晶态铁羟氧化物相关组分中，此时会形成含Fe(II)的矿物相，如针铁矿和/或褐铁矿。这些研究结果拓展了目前对于陶瓷烧制过程中铁元素影响砷转化机制的认识，揭示了高温还原环境下一种新的砷稳定机制。此外，这些发现还为减少陶瓷水过滤器的砷渗出提供了实用策略，对含砷废物的稳定处理也有重要意义。

引言

陶瓷水过滤器是一种成本低、使用方便的饮用水处理技术，在发展中国家被广泛用于家庭饮用水净化[1]、[2]、[3]。它的应用极大提升了人们获取安全饮用水的机会，也为公共健康带来了诸多益处[1]、[4]、[5]。然而，最新研究表明，陶瓷水过滤器在初始过滤阶段就会释放砷，其浓度往往远远超过饮用水标准数个数量级[6]、[7]、[8]，这引发了人们对使用此类过滤器时可能面临砷暴露风险的担忧。

先前的研究已经表明，陶瓷水过滤器的制作参数会显著影响砷的渗出情况[8]。在用于制造陶瓷水过滤器的原始黏土中，砷的存在浓度通常较低，主要以与铁/铝矿物及黏土矿物相关的无机As(V)形式存在，其渗出能力较弱[7]、[8]。但实际上，用这类黏土制成的陶瓷水过滤器却会出现明显的砷释放现象，这说明热处理过程改变了砷的迁移性[8]。高岭石、伊利石以及含铁矿物等主要矿物相是砷的重要载体，它们可能会影响砷的存在形态及其络合状态[9]、[10]、[11]。例如，有研究观察到，在烧制过程中砷和铁的表面络合物会发生变化，从而导致陶瓷水过滤器中的砷渗出量高于原始黏土中的渗出量[7]。同样，施韦特曼石的热转化也会使得原本存在于矿物结构中的砷变得更易发生交换反应[12]。因此，有必要系统研究不同黏土在各种烧制条件下的热行为，这样才能弄清烧制过程中砷的转化机制及其对砷渗出行为的影响。

烧制环境是陶瓷制造过程中的关键因素，但它对陶瓷水过滤器砷渗出的影响至今仍缺乏系统研究。不过，已有研究表明，烧制环境可以通过调控陶瓷的烧结行为、孔结构发育、有机物燃烧以及矿物相演变等方式，显著影响陶瓷的物理化学性质[13]、[14]、[15]、[16]。尤其是含铁矿物在氧化环境和还原环境中的转化路径可能存在差异，这会导致矿物相组成发生变化，进而影响陶瓷的颜色和力学性能[13]、[14]、[15]、[17]。由于含铁矿物是黏土基陶瓷材料中砷的重要载体[18]、[19]，这种受烧制环境影响的铁元素转化机制可能会进一步影响烧制过程中砷的重新分布。从地球化学的角度来看，氧化还原条件也会显著影响水体、土壤和沉积物环境中砷的迁移性[20]、[21]、[22]。在还原环境下，砷酸根[As(V)]可能会部分转化为更易移动的亚砷酸根[As(III)]，由于As(III)与矿物表面的亲和力较弱，因此更容易从矿物表面解吸出来[23]、[24]。此外，氧化还原条件的变化还可能通过铁矿物的还原溶解作用，促使原本吸附或共沉淀在矿物中的砷释放出来[25]、[26]。基于这些地球化学规律，人们原本认为无氧烧制会增加陶瓷水过滤器的砷渗出量。不过这一推测主要基于低温下的地球化学过程[27]，尚未在高温陶瓷烧制条件下得到实验验证。还原性烧制环境对陶瓷水过滤器砷渗出的影响尚不明确，亟需进行系统研究。

为填补这一知识空白，本研究系统研究了烧制环境对陶瓷水过滤器砷渗出的影响。研究选用了铁含量不同的几种黏土，在有氧和无氧两种环境下分别制备陶瓷水过滤器，然后在不同水质条件下检测这些过滤器的砷渗出情况。与传统认知相反，我们发现无氧烧制反而降低了砷的渗出量，这说明还原环境可能有助于将砷稳定在陶瓷基质中。这些研究结果拓展了目前对于高温还原环境下砷迁移性的认识，强调了铁矿物转化在砷的存在形态和迁移性中的作用。同时，这些发现也为通过优化烧制条件来控制陶瓷水过滤器的砷渗出提供了实用指导。

内容节选

原料黏土与陶瓷水过滤器的制备

本研究分别从中国河南、河北和江西三省采集了三种黏土（命名为HN黏土、HB黏土和JX黏土），这三种黏土的铁含量存在明显差异（详见表S1）。这些黏土以及从当地市场购买的稻壳被用作制造陶瓷水过滤器的原料。为了模拟实际的生产条件，我们参考中国某陶瓷水过滤器工厂提供的配方和烧制流程，制备了直径约为2.5厘米、厚度约为1.5厘米的陶瓷圆盘[8]。

烧制环境对陶瓷水过滤器性能的影响

在本研究中，有氧条件下烧制得到的陶瓷水过滤器被称为AeCWFs，无氧条件下烧制得到的则被称为AnCWFs。对于使用相同原料黏土制备的两种过滤器，它们的收缩率、孔隙率和孔径分布等物理性能相当，只是AnCWFs的密度略高一些（详见表S4和图S1）。XRF分析结果（见表S1）显示，所有测试样品中的黏土及其对应的AeCWFs在化学成分上具有相似性

结论与意义

本研究采用相同的配方，在有氧和无氧两种烧制条件下分别制备了陶瓷水过滤器，得到了AeCWFs和AnCWFs两种产品。实验结果显示，AeCWFs存在明显的砷渗出现象，而AnCWFs的砷渗出量则显著降低。烧制过程导致的砷迁移性变化程度与原料黏土中的铁含量呈正相关，即HN黏土对应的AnCWFs砷渗出量最低，HB黏土次之，JX黏土对应的AnCWFs砷渗出量最高

环境意义

陶瓷水过滤器中的砷渗出可能带来砷暴露风险。本研究发现，无氧条件下烧制得到的陶瓷水过滤器的砷渗出量比有氧条件下烧制得到的产品低一个数量级以上，这一差异源于无氧烧制过程中与砷相关的铁矿物发生了特定的转化。我们的研究结果为减少陶瓷水过滤器的砷渗出提供了一种实用且有效的方案，而且无需改变原材料或过滤器的结构

作者贡献说明

高一凡：方法设计、实验研究、数据整理。潘丹丹：论文撰写与修改、研究指导、方法设计。杨海燕：论文撰写与修改、初稿撰写、数据可视化、结果验证、研究指导、资金申请、研究构思。李晓敏：论文撰写与修改、研究指导。张立国：论文撰写与修改、研究指导、项目管理工作。应光国：论文撰写与修改、研究指导、项目管理工作。邹勇：论文撰写——

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了广东省重点领域研发专项（项目编号：2022B0101090004）以及广州市基础与应用基础研究基金（项目编号：2025A04J3364）的资助。

You Zou|Mingsong Yang|Xuanni Zhang|Hongzhi Sun|Gao Yifan|Dandan Pan|Haiyan Yang|Xiaomin Li|Liguo Zhang|Guang-Guo Ying

广东省化学污染与环境安全重点实验室、华南师范大学环境理论化学教育部重点实验室，中国广州510006