柴油废气条件下基于冷凝的大气水生成压力测试

《Journal of Hazardous Materials Advances》：Stress-testing condensation-based atmospheric water generation under diesel exhaust

　　

替代水源（如大气水生成器，AWGs）是帮助解决全球水资源短缺危机的关键方案，尤其是在需水量日益增长的城市地区。基于冷凝的AWGs主动提取大气湿气以生产饮用水，提供了一种有前景的分散式水源。然而，其水质受到大气污染的显著影响，相关机制仅在部分程度上被理解，尤其是在实际条件下。本研究首次在户外条件和人工气候室中对基于冷凝的AWG进行了柴油废气极端污染水平下的压力测试。研究人员对未经处理冷凝水进行了73项水质参数的分析。结果表明废气对水质有显著影响，揭示了在AWG水中前所未有观察到的污染物（小分子多环芳烃、苯、丙烯酰胺）。多项参数被发现超出欧盟饮用水阈值（pH、铵、亚硝酸盐、铜、铝、锰、铅、镍、苯并(a)芘、苯和丙烯酰胺），其中部分参数（铜、丙烯酰胺和苯）为文献中首次报道的超标。研究人员观察到显著的水体酸化，可能导致了AWG本身金属材料（铜和铝）的淋溶。研究人员揭示了未经处理水质与空气质量指标之间新颖且强的相关性（多环芳烃与总挥发性有机化合物，硝酸盐与PM2.5），表明利用空气质量传感器预测AWG水质具有可能性。丙烯酰胺浓度亦与废气污染相关，这是一个令人惊讶且迄今未被报道的发现。总体而言，这些结果为AWG开发者和监管机构在存在显著交通污染区域使用AWG所需的水处理工艺提供了新的指导方针。

**论文解读：柴油废气极端污染条件下基于冷凝的大气水生成器的压力测试研究**

**1. 研究背景与问题**

全球约有20亿人缺乏安全饮用水供应，气候变化与人口增长预计将在未来三十年内使水资源需求增加50%至80%，城市地区预计将更早面临水资源压力。大气水生成器（Atmospheric Water Generators, AWGs）作为一种分散式水源解决方案受到关注，其中基于冷凝的技术通过在低于露点温度的表面上冷凝大气湿气来生产液态水。尽管已有研究指出AWG产水水质与空气质量密切相关，如环境细颗粒物（PM2.5）浓度与水中多种金属浓度呈正相关，且已有实地研究在背景城市或工业区域观察到氨、镍、铝、铁、铅、锰及二氯甲烷、苯并(a)芘等参数超标，但现有研究极少聚焦于交通相关空气污染——这是城市区域更为普遍且时空变异性显著的污染类型。当前的文献尚无法对极端交通污染条件下AWG产水水质给出可靠评估。此外，已有研究多采用实验室实验或背景区域实地监测，缺乏对高浓度柴油废气暴露下水质污染的系统表征。因此，在极端柴油废气暴露条件下对基于冷凝的AWG进行压力测试以填补数据空白，并探究污染物从空气到水的迁移机制，具有重要研究意义。

**2. 研究内容与方法概述**

研究人员采用由Kumulus公司设计、标称产水量为1 L/h（在26°C、65%相对湿度条件下）的基于冷凝的AWG原型机，其热交换器由铜管（CuDHP C12200）、铝翅片（8009）和不锈钢外壳（AISI304L）组成，冷凝水通过重力收集于10 L不锈钢储罐中。研究在法国Marne-la-Vallée的Sense-City平台上开展了两个测量活动：第一次于2023年7月在Sense-City人工气候室（INDOOR）进行，模拟了7种温湿度条件，并利用柴油发电机（17.5 kVA，EU排放标准Stage V）产生废气暴露；第二次于2024年12月至2025年1月在户外开展，先采集无外加污染的本底气样（BACKGROUND），随后在柴油发电机（20 kVA，EU排放标准Stage II）废气存在条件下采集水样（OUTDOOR）。两种条件下废气出口被引导至距离AWG进气口1米处。研究共收集18个约2 L水样，由COFRAC认证实验室（Eurofins，法国）分析，涵盖pH、电导率、浊度、总有机碳、6种离子、18种元素及41种有机化合物（包括苯系物BTEX、丙烯酰胺、19种卤代挥发性有机物和16种多环芳烃）。空气污染物监测包括CO?、CO、O?、NO、NO?、NO?（ENVEA分析仪，2分钟周期）、TVOC及PM?/PM2.5/PM??（AtmoTube Pro传感器，1分钟周期），并采用Radiello被动扩散采样管同步采集气相BTEX等。统计分析方法采用Mann-Whitney非参数检验比较背景与废气暴露条件下浓度的显著性差异，并使用Pearson相关系数（r）与Spearman等级相关系数（ρs）评估参数间线性关系，显著性阈值设为|r|>0.8且p值<0.01。

**3. 主要研究结果**

**3.1 空气污染条件**

研究人员使用柴油发电机模拟了城市环境的最坏情况。Mann-Whitney检验确认在废气压力条件下，空气质量指标（PM2.5、NO/NO?/NO?、TVOC）水平存在统计显著差异（p值<0.01）。实验中PM2.5最高达300 μg/m3，NO?最高达40 mg/m3，分别约为巴黎环城路2025年记录的每小时最大水平的4倍和70倍，与全球污染最严重的城市（如新德里、达卡）水平相当。研究识别出三个不同污染水平：低（BACKGROUND，冬季郊区本底水平）、中（OUTDOOR，高交通流量水平）、高（INDOOR，极端城市交通水平）。

**3.2 未经处理冷凝水质量的统计描述与污染物清单**

在废气暴露条件下，水质显著恶化。水的pH值介于3.5~5.1之间（中位数3.7），远低于EU法规要求的6.5~9.5范围。浊度和总有机碳最高分别达到13.7 NTU和51 mg/L，超出法规限值。铵态氮最高达4.2 mg/L（中位数0.06 mg/L），亚硝酸盐最高达0.92 mg/L（EU限值0.5 mg/L），均出现超标。铝（Al）和铜（Cu）是各活动中最丰富的金属元素（中位数分别为1.8 mg/L和6.7 mg/L），几乎总是超过US EPA和EU（以及WHO对Cu）的限值，最高浓度分别达EU阈值的50倍和10倍。铅（Pb）超过WHO限值，而Pb、Ni、Mn在部分INDOOR样品中超出EU限值。多环芳烃方面，16种PAHs中有15种至少被检出一次，苯并(a)芘有2次超标（18%样品），小分子PAHs（2-3环）浓度高于大分子（>4环），菲和萘为最丰富物种。苯（benzene）在58%样品中超过EU限值，最高达2.23 μg/L。丙烯酰胺在废气条件下3个样品中均超过EU限值0.1 μg/L（中位数0.31 μg/L），这是首次在AWG原水中报道该物质。

**3.3 空气污染的影响**

背景与废气暴露浓度对比的Mann-Whitney检验表明，pH、铵、亚硝酸盐、铜、铝和所有BTEX化合物在两种条件间存在显著差异。富集因子（EF）计算显示，NO?的空气EF高达1250，而亚硝酸盐的水EF仅为5，表明亚硝酸盐并非直接来源于空气中NO?；BTEX化合物在水中的EF比空气中高10倍以上（m+p-二甲苯水EF>205）。相关性分析发现：硝酸盐浓度与PM2.5呈强正相关（r=0.83），亚硝酸盐与环境苯浓度相关（r=0.85）；PAHs与TVOC及气相单环芳烃呈很强的正相关（如荧蒽和?与TVOC的r=0.99），但与PM2.5无显著相关性，表明PAHs主要来自气相吸收而非颗粒相。丙烯酰胺浓度与NO?和CO?呈现强相关（r>0.95），提示其与废气排放存在潜在联系。金属相关性分析显示Al、Fe、Cu、Sb、Pb和Mn具有高相关性和极低p值，表明共同来源。进一步研究发现水pH与CO?浓度呈现强负相关（r=-0.84），并且Al和Cu浓度在pH低于4时急剧增加，证实了酸化驱动的金属淋溶机制——废气导致pH下降，引起AWG本身金属材料（铜和铝）的溶出。

**3.4 气象条件的影响**

在人工气候室改变温湿度的条件下，唯一发现的显著相关性是户外活动中亚硝酸盐与太阳辐射通量之间的正相关（r=0.92），支持了亚硝酸盐来源于大气HONO吸收且其部分形成途径依赖光照的假说。由于空气污染数据高度聚集且污染水平变异性大（相同温湿度下PM2.5变异达790%），未发现其他气象因素的显著影响。

**3.5 BTEX的空气-水传质系数**

利用BACKGROUND和OUTDOOR活动数据，研究人员计算了甲苯、m+p-二甲苯和邻二甲苯的空气-水传质速率（TR），在4~8°C、RH 90~99%条件下，平均TR值分别为0.003%±0.002%（甲苯和邻二甲苯）和0.005%±0.004%（m+p-二甲苯），较文献报道值略高，归因于本研究更冷更湿的条件。

**4. 讨论与结论**

本研究首次针对基于冷凝的AWG开展极端柴油废气暴露下的压力测试，在报告中首次观察到多项水质超标（Cu、丙烯酰胺、苯）和多个此前未在AWG水中报道的污染物（小分子PAHs、苯系物、丙烯酰胺）。核心发现包括：①废气污染导致水体显著酸化（pH低至3.5），进而造成AWG自身金属材料（Cu、Al）的淋溶，pH控制对AWG在腐蚀环境中限制金属迁移至关重要；②PAHs与TVOC、丙烯酰胺与NO?/CO?之间的强相关性为利用空气质量传感器实时预测AWG水质提供了可能性，这可通过低成本仪器或开放数据集实现，例如在空气质量指标达到异常值时暂停产水；③BTEX空气-水传质系数的计算为AWG水质风险评估提供了新数据。研究局限包括：仅涉及交通污染中柴油废气单一排放源、废气出口与AWG进气口距离过近（1 m）导致代表性有限、有机污染物仅占TOC不足1%表明存在大量未识别化合物（建议采用非目标筛查NTS方法）、未评估微生物安全性以及样本量有限。本研究的结论是在极端污染场景下的污染上限评估，尽管户外中等污染水平的BACKGROUND活动为半现实环境提供了一定参考，但未来仍需更长时间跨度的研究来评估季节变化和累积效应，并需在更实际的多污染源条件下验证相关性分析的稳定性和可靠性。这些发现为AWG开发商和监管机构在交通污染严重地区安全部署AWG所需的水处理工艺（如活性炭去除有机物、离子交换去除金属和离子）以及监测框架的调整提供了具体指导。