地下水砷污染对全球数百万人的健康造成严重威胁，其中三价砷[As(III)]与五价砷[As(V)]为天然水中砷的主要形态；与As(V)相比，As(III)毒性更大、迁移性更强、深度净化难度更高。Fe(III)、Zr(IV)、Al(III)等氧化物纳米颗粒及其复合物可通过形成内圈配合物实现对砷的专性吸附去除，在地下水深度净化领域应用前景广阔。然而，地下水中广泛存在的硅酸根也可与纳米颗粒形成内圈配合物，并在长期使用过程中逐渐形成稳定的聚合硅酸盐层，阻碍活性位点与目标污染物的相互作用。目前，由共存硅酸根引发的材料污染问题已成为制约水处理纳米材料长期稳定运行的重要因素，亟待开发相应抗污染策略。
近期，南京大学环境学院张孝林副教授课题组提出了一种通过氧化-吸附功能耦合提高纳米颗粒耐硅酸根污染性能的新策略。具体而言，利用As(III)氧化过程释放的H+抑制Si-O-Si键形成，并强化纳米颗粒与砷之间的相互作用（图1）。作为概念验证，课题组考察了一种近期研制的一种氧化-吸附双功能材料HFO@PS-Cl（Environ Sci Technol, 2017, 51, 6326）的抗硅酸根污染性能。HFO@PS-Cl是一种纳米氧化铁（HFO）复合材料，其载体PS-Cl含有共价键联的活性氯；该材料可通过活性氯氧化As(III)并释放H+，通过氧化铁吸附As(III/V)。结果表明，HFO@PS-Cl可实现在含硅酸盐水中对As(III)的循环批次高效去除，同等条件下不具备氧化功能的复合纳米材料HFO@PS-N对As(III)的去除效率持续下降；原位ATR-FTIR差谱结果表明80分钟内即在HFO@PS-N中出现了明显的聚合硅酸盐信号峰，同等条件下7200分钟才在HFO@PS-Cl中出现微弱的聚合硅酸盐信号峰（图2a）；柱试验中，HFO@PS-Cl柱对模拟地下水与真实地下水的有效处理容量（出水砷<10 ppb）达3200、1640床体积（BV），同等条件下HFO@PS-N柱的处理容量仅为608、260 BV（图2b）。本研究可为研制具有优良抗硅酸盐性能的水处理材料或开发应用于含硅酸盐水体的处理技术提供参考与借鉴。
图1. 氧化-吸附功能耦合型材料抗硅酸盐污染机理示意
图2. 污染物处理过程中复合纳米材料的原位ATR-FTIR差谱（a），复合纳米材料柱对模拟地下水与真实地下水的处理效果（b）
研究成果以“Enhanced Arsenite Removal from Silicate-containing Water by Using Redox Polymer-based Fe(III) Oxides Nanocomposite”被水处理领域知名期刊Water Research接收(DOI: 10.1016/j.watres.2020.116673)。论文主要作者为南京大学博士研究生方卓尧与硕士研究生黎智贤，通讯作者为张孝林副教授，博士研究生潘思远、硕士研究生吴梦非、潘丙才教授为共同作者。本研究得到了国家自然科学基金与中央高校基本业务费资助。