在连续流动的陶瓷水过滤器中，通过控制涂层性能来调控纳米粒子的可接触性，从而有效去除砷和大肠菌群

《Journal of Environmental Sciences》：Coating-controlled nanoparticle accessibility for arsenic and coliform removal in continuous-flow ceramic water filters

　　

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  陶瓷制造条件决定了过滤器的渗透性、孔隙率和水力性能。
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  浸涂Fe-Cu过滤器的连续流Arsenic(V)和Arsenic(III)去除效果最佳。
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  尽管Fe-Cu过滤器的BET表面积较低，但其性能优于Fe-Ce过滤器。
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  扫描电子显微镜（SEM）–能量色散X射线光谱（EDX）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）分析显示了砷与含铁氧化物位点之间的表面相互作用。
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  涂层策略显著影响了水力行为并延长了过滤性能。

引言

获得安全的饮用水仍然是一个重大挑战，尤其是在没有或依赖不可靠的集中处理系统的农村地区（世界卫生组织，2022年）。由于其经济实惠、使用方便以及高效的病原体去除能力，陶瓷水过滤器（CWFs）已成为一种有前景的低成本现场使用（PoU）水净化技术（Harris等人，2023年；K’oreje等人，2022年；Shivaraju等人，2019年）。这些过滤器由粘土和烧结材料（如锯末或稻壳）制成，在烧制过程中形成多孔结构，从而实现机械过滤和污染物吸附（Yang等人，2020年）。虽然陶瓷过滤器在去除细菌方面已经得到了广泛研究，但其在去除重金属和其他溶解污染物（尤其是砷）方面的有效性仍然有限，需要进一步开发（Ashokan等人，2025年）。

全球有数百万人受到地下水砷污染的影响，特别是在南亚、拉丁美洲和非洲（Bessaies等人，2020年；Shafiquzzaman等人，2022年）。由于长期接触含砷饮用水与致癌和非致癌健康风险有关，因此必须开发高效且可扩展的去除技术（Aredes等人，2012年；Meng等人，2025年）。世界卫生组织将饮用水中的砷含量限制在10微克/升，但许多社区，特别是在发展中国家，面临的砷含量远超这一限制（世界卫生组织，2022年）。

化学添加剂和频繁的维护使得吸附、混凝和离子交换方法不适合分散式应用。因此，结合病原体和砷去除的新陶瓷水过滤器进展为可持续的现场水处理提供了有希望的途径（Huang等人，2020年；Kumari等人，2019年；Madu等人，2021年；Nigay等人，2020年；Zhao等人，2020年）。最近的研究表明，使用各种金属氧化物纳米颗粒（如氧化铁和镧基化合物）可以提高陶瓷过滤器的性能。这些系统主要促进了砷酸盐（As(V)）的吸附，而亚砷酸盐（As(III)）的去除在典型环境条件下仍具有更大的挑战性（Shafiquzzaman等人，2022年；Sun等人，2017年；Yang等人，2019年）。

尽管取得了这些进展，但在实际操作条件下，关于纳米颗粒改性陶瓷水过滤器（CWFs）的过程性能仍存在重要的知识空白。虽然银和ZnO改性的CWFs在微生物消毒方面已经得到了广泛研究，但金属氧化物改性的CWFs也已成为从受污染水源中去除溶解无机污染物（包括砷、铅、镉、铬、氟化物和锰）的有希望的材料。先前的研究报道了使用铁、铈、钛和复合金属氧化物涂层陶瓷材料通过吸附、离子交换、表面络合和氧化还原辅助机制来增强重金属去除的效果（Chaukura等人，2020年；Huang等人，2025年；Jiang等人，2023年；Nigay等人，2020年；Shafiquzzaman，2017年）。然而，关于纳米颗粒改性过滤器在连续流条件下去除砷的研究相对较少（Harris等人，2023年；He等人，2023年；Huang等人，2025年、2020年、2018年）。先前的研究采用了多种纳米颗粒掺入技术，包括表面刷涂、浸涂和嵌入（烧结）改性，以提高CWFs的性能。然而，这些方法大多是独立研究的，重点在于提高污染物去除效率或抗菌性能，而不是了解控制过滤行为的过程机制。特别是，很少关注涂层方法如何影响纳米颗粒在多孔陶瓷基质中的分布，以及这种分布如何影响纳米颗粒的可及性、孔隙连通性和水力传输以及重力驱动过滤过程中的动态砷吸附。因此，涂层诱导的纳米颗粒分布、反应位点的可及性和长期过滤性能之间的机制关系尚未充分理解。在本研究中，纳米颗粒的可及性被定义为在连续流过滤过程中纳米颗粒上的活性位点对砷物种的可及程度。孔隙连通性控制了水和溶解砷通过陶瓷基质的传输，而纳米颗粒的可及性决定了传输的砷物种与暴露的反应吸附位点的接触和相互作用程度。因此，孔隙连通性有助于但不完全决定纳米颗粒的可及性。大多数关于改性CWFs的研究仅限于短期或单次实验室评估，对纳米颗粒可及性、孔隙连通性和传输限制如何影响长期过滤行为的关注不足。因此，在连续操作条件下流量稳定性、水头动态和砷去除效率的关系尚未明确。因此，涂层诱导的纳米颗粒分布、反应位点可及性和动态吸附性能之间的耦合关系尚未得到充分理解。

本研究通过将涂层方法不仅仅作为一种制造策略来研究，而是作为一种控制纳米颗粒分布、纳米颗粒可及性、水力性能和重力驱动CWFs中动态砷吸附的参数，从而填补了这些知识空白。通过系统地评估使用三种不同掺入技术（表面刷涂、浸涂和烧结涂层）的六个纳米颗粒系统，本研究试图理解涂层诱导的纳米颗粒分布、孔隙尺度传输、可及反应位点和连续重力驱动操作下的长期过滤行为之间的机制关系。首先评估了烧结温度、烧结时间和锯末比例对水力行为和污染物去除的影响，以优化过滤器制造条件。通过对三种应用方法下的六种不同纳米颗粒进行砷去除效果的比较评估：表面刷涂、浸涂以增强纳米颗粒在多孔基质中的渗透，以及烧结涂层整合到陶瓷结构中。这些方法允许评估涂层诱导的纳米颗粒分布如何通过控制流动条件下的反应吸附位点的暴露来影响纳米颗粒的可及性。本研究进行了为期八天的延长重力驱动过滤实验，以评估砷去除效率、流量行为和水头动态的变化。选择的进水砷浓度为1毫克/升，代表了严重受影响的含水层中报告的保守最坏情况，从而能够在高负荷条件下评估过滤器性能（Lapworth等人，2022年；Mukherjee等人，2021年；Podgorski和Berg，2020年）。需要注意的是，实际现场条件下较低的、与环境相关的砷浓度和共存离子对过滤器性能的影响需要进一步研究。

基于这些考虑，本研究的目标是：（1）评估制造参数对CWFs水力性能和污染物去除的影响；（2）研究纳米颗粒类型和涂层技术对纳米颗粒可及性和砷去除的影响；（3）通过研究连续流条件下的流动动态和砷保留行为来评估选定过滤器的长期过滤稳定性。

章节片段

材料和试剂准备

用于制造陶瓷水过滤器的主要成分是天然粘土和锯末，这两种材料均在印度Kharagpur本地采购。根据它们对砷物种的亲和力和在PoU处理系统中的适用性，选择了六种纳米颗粒系统，即Fe₂O₃、CuO、La₂O₃、CeO₂以及Fe-Cu和Fe-Ce二元氧化物纳米颗粒进行过滤器改性。关于原材料制备、过滤器制造和纳米颗粒合成的详细信息

锯末比例和烧结条件对流速的影响

采用了3³全因子设计来评估锯末比例（A：25 wt.%，30 wt.%，35 wt.%）、烧结温度（B：800 °C，850 °C，900 °C）和烧结时间（C：1小时，2小时，3小时）对CWFs流速（R₁，毫升/小时）的影响。该模型具有统计显著性（p < 0.0001），其中锯末比例和烧结温度是影响流速的主要因素，分别占总变异性的大约49.2%和45.9%。

结论

本研究评估了陶瓷制造条件、纳米颗粒组成和涂层方法对重力驱动陶瓷水过滤器中砷和微生物去除的综合影响。使用35%锯末并在850 °C下烧结1小时的过滤器在水力性能、结构完整性和物理化学水质特性之间提供了适当的平衡。在研究的六种纳米颗粒系统和三种涂层方法中，Fe-Cu浸涂

利益声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

CRediT作者贡献声明

Gopika Ashokan：写作 – 审稿与编辑，写作 – 原始草稿，可视化，验证，方法学，调查，正式分析，数据管理，概念化。Manoj Kumar Tiwari：写作 – 审稿与编辑，监督，资源管理，方法学，资金获取，正式分析。Brajesh Kumar Dubey：写作 – 审稿与编辑，监督，资源管理，方法学，正式分析。

竞争利益声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到了印度理工学院马德拉斯分校清洁行动计划（SAP）的支持，并在印度理工学院Kharagpur分校进行。作者感谢资助机构的支持。

Gopika Ashokan|Manoj Kumar Tiwari|Brajesh Kumar Dubey