综述：新兴的可持续吸附剂在水中去除砷的应用：对技术性能及可持续性评估方法的综述

《Process Safety and Environmental Protection》：EMERGING SUSTAINABLE ADSORBENTS FOR ARSENIC REMOVAL FROM WATER: A CRITICAL REVIEW OF TECHNICAL PERFORMANCE AND SUSTAINABILITY ASSESSMENT METHODOLOGIES

　　安杰洛·诺埃·马尔奎内斯-马尔奎内斯（Angelo Noe Marquínez-Marquínez）| 尼科尔特·斯蒂芬妮·卢尔-莫利纳（Nikolt Stephanie Loor-Molina）| 克劳迪娅·乌洛亚-泰塞尔（Claudia Ulloa-Tesser）| 齐梅娜·加西亚-卡蒙纳（Ximena García-Carmona）

**摘要**
砷（As）是一种有毒类金属，全球范围内污染了地表水和地下水。在许多水系统中，其浓度超过了世界卫生组织（WHO）和联合国粮食及农业组织（FAO）分别为饮用水和灌溉水制定的0.01和0.1毫克/升的指导值，据估计有1.4亿至2.2亿人因此面临严重的健康风险。在现有技术中，吸附法因其操作简便以及可以使用低成本、源于废物的前体材料而成为一种具有成本效益的选择。本文不仅探讨了吸附机制、动力学和平衡模型等主题，还对这些所谓“可持续”吸附剂的可持续性评估标准及定量方法进行了批判性分析，特别强调了其在去除砷中的应用。对2015年至2025年间关于砷去除的8,838篇文献的梳理显示，仅有169项研究（1.91%）关注替代或“可持续”吸附剂，而仅有11项研究（0.12%）应用了生命周期评估等结构化的可持续性评估方法。在所研究的系统中，通过表面改性引入的含铁相上的砷-氧-金属复合体发挥了主导作用，这不仅提高了吸附能力，还降低了操作剂量和吸附剂消耗。然而，关于这一策略环境影响的证据仍较为有限。仅有一项针对特定案例的生命周期评估表明，在该假设下，经过改性的铁基吸附剂的环境影响较低（最高可降低30%）。总体而言，现有文献揭示了在开发用于去除砷的吸附剂材料方面取得的显著进展，但也表明可持续性评估仍很少采用系统化且可比的方法。这凸显了需要制定合理的框架，从开发早期阶段就综合考虑技术性能和环境可持续性并进行优化。

**引言**
砷是地壳中普遍存在的类金属，因其对人体健康和水生生态系统有害而广为人知（Alka等人，2021年）。砷的来源包括富含砷的岩石风化、火山活动以及人为排放，如工业废水、农业中使用的除草剂和杀虫剂以及采矿废弃物（Alka等人，2021年；Gong等人，2023年）。水中砷以不同的化学形态存在，具体取决于pH值和氧化还原电位，其中无机砷毒性最强（Gong等人，2023年）。在低氧化还原电位的地下水中，三价砷（As(III)）或亚砷酸根（As(III)）占主导；而在氧化还原电位较高的地表水中，则以五价砷（As(V)）或砷酸根（As(V)）为主（Chillè等人，2024年；Zhou等人，2024年）。全球范围内水系统中记录到的高砷浓度范围从0.002至91.51毫克/升不等（参见补充材料图S1）（DGA，2020年；Otero等人，2016年；Sevak和Pushkar，2024年；Siddiqui等人，2019年）。根据世界卫生组织的数据，至少有70个国家中有约1.4亿人饮用的水中砷含量超过指导值；而一项最新的全球建模研究表明，基于集成地下水砷数据、环境预测因子和家庭用水统计的机器学习模型，可能有高达2.2亿人面临地下水中砷浓度升高的风险（WHO，2022年；Podgorski和Berg，2020年）。然而，水并非唯一的暴露途径，因为近几十年的大量研究表明，用受污染的水灌溉作物也会使作物积累砷（Otero等人，2016年；Biswas和Ganesan，2024年；Moyano等人，2009年；Pizarro等人，2016年；Zhang等人，2024年）。长期接触砷与多种健康问题相关，包括皮肤癌、肺癌、膀胱癌、肾癌、肝癌、心血管疾病、角化过度和2型糖尿病（Alka等人，2021年；Gong等人，2023年；Biswas和Ganesan，2024年；Abolli等人，2024年；Xu等人，2023年）。鉴于水对生命至关重要，监管机构已制定了相关标准以保护人类健康：世界卫生组织将饮用水中的砷浓度指导值定为0.01毫克/升，联合国粮食及农业组织将灌溉水中的砷浓度上限定为0.1毫克/升（WHO，2022年；Anh Nguyen等人，2023年）。为应对这一全球性和健康挑战，已开发多种去除水中砷的技术，包括膜分离、离子交换、化学沉淀、混凝和电凝聚、高级氧化以及吸附（Alka等人，2021年；Gong等人，2023年；Badr，2024年；Ke等人，2021年；Kumar等人，2019年；Siddiq等人，2022年；Weerasundara等人，2021年）。尽管这些技术在去除砷方面表现出较高的效率，但往往存在操作成本高或产生大量潜在有毒污泥等缺点。相比之下，吸附法因其高效、成本效益高、操作简便以及吸附剂生产前体材料的多样性而被广泛认为是最有前景的方法之一（Chen等人，2024年；Cheraghi等人，2024年；Cuong等人，2022年；Ferreira Junior等人，2023年；Song等人，2025年；Xu等人，2024年；Yadav等人，2022a）。尽管在评估不同操作条件下的砷吸附行为方面取得了显著进展，但这些研究大多集中在吸附剂的技术性能上。已研究了多种吸附剂平台，包括负载铁的聚合物树脂（Negrea等人，2011年；Ciopec等人，2014年）、含铁的废污泥（Negrea等人，2010年）、化学活化纤维素纤维（Ciopec等人，2021年）以及二氧化硅-氧化铁纳米复合材料（Mladin等人，2022年）。这些研究展示了提高水中砷去除效果的多样性策略。然而，现有文献主要通过吸附容量等技术性能参数来评估吸附剂，而很少使用特定标准或可比方法来考察这些系统的可持续性影响。

**近期综述**
近几十年来，多项综述文章探讨了砷污染及吸附法作为处理手段的应用，详细分析了不同条件下的吸附效果、吸附和解吸机制、吸附剂类型以及制备或改性策略（Alka等人，2021年；Altowayti等人，2022年；Asere等人，2019年；Baig等人，2015年；Hao等人，2018年；Liu等人，2020年；Luong等人，2018年；Mojiri等人，2024年；Mondal和Garg，2017年；Reyes-Bozo等人，2025年；Shakoor等人，2019年；Srivastav等人，2022年；Ungureanu等人，2015年；Yaashikaa等人，2021年；Zoroufchi Benis等人，2020年；Carneiro等人，2024年）。一些较新的综述也涉及了可持续性，但视角较为片面。例如，生物炭因其低成本而被认为是可持续材料（Gwenzi等人，2017年）；还有研究提出将其整合到能源-水-养分-食物循环系统中，以促进从传统线性开放循环向封闭循环的转型（Gwenzi等人，2017年；Ghosh等人，2025年；Jha等人，2021年）。此外，也有研究讨论了通过环保途径管理含砷吸附剂的策略（Yadav等人，2022b）。目前关于去除砷的吸附剂的文献主要从定性角度探讨可持续性，仅提及低成本或利用废物前体的优势，缺乏严格的定量评估或标准化指标来进行有意义的性能比较。迄今为止，尚无综合评估从生物质、工业残渣、矿物或合成材料制备的吸附剂的技术性能和潜在可持续性的综述。除了吸附机制、动力学和平衡模型外，本文还批判性地审视了现有的可持续性评估标准及应用方法，特别是针对去除砷的吸附剂。本研究旨在系统整理和分析这些信息，建立一个稳健的比较框架，从技术和环境可持续性的角度支持吸附技术的选择和优化，从而填补现有文献的空白，并指导未来的研究方向，以实现更有效和可持续的解决方案。

**文献梳理与全球研究趋势**
为了解全球研究动态和新兴趋势，本文对2015年1月至2025年4月期间发表在Web of Science和Scopus数据库中的相关文献进行了梳理。使用布尔运算符（AND、OR、NOT）筛选出关键词，并排除了表1中列出的排除词。随后进行了第二次过滤，去除两个数据库中重复的记录。

**可持续吸附剂的初步评估与特征分析**
鉴于砷在环境中的毒性和持久性，开发高效且经济可行的去除技术至关重要（Hao等人，2018年；Bhattacharya等人，2023年）。因此，近年来人们对使用可持续吸附剂的兴趣日益增加，因为这些来自可再生、丰富或低附加值资源的材料为传统吸附剂提供了有前景的替代方案。

**砷吸附的机理、等温模型和动力学**
在本研究中，可持续新兴吸附剂（SAds）被定义为根据环境、经济和技术标准设计的天然或合成材料，确保具备高污染物吸附能力和长期可行性。由于SAds可以源自多种前体来源（如天然原料、农业或食品废弃物、工业残渣、矿物基材料等），因此它们具有不同的特性。

**吸附剂开发和应用中的可持续性标准**
现有文献指出，定义吸附剂为“可持续”的主要标准包括：使用生物质或工业废弃物作为前体（Ferreira Junior等人，2023年；Hussain等人，2020年；Abid等人，2016年；Merodio-Morales等人，2022年；Ani等人，2019年；Hashimi等人，2022年；Liu等人，2023年；Yusof等人，2020年；Lee等人，2022年；Nand等人，2024年）；以及原材料在自然界的丰富可获得性（Chen等人，2024年；Song等人，2025年；Song等人，2019年；Chang等人）。

**可持续性评估方法**
现有研究基于一系列标准将吸附剂分类为可持续的，但这些标准作为起点，缺乏基于严格可持续性评估的全面和定量视角。这一局限性限制了在实际应用中做出明智决策的能力。为此，已经出现了一些用于量化产品生命周期内环境、经济和社会影响的方法。

**未来研究方向**
文献综述指出，未来研究可以加强在更全面框架下可持续吸附剂的发展和应用。尽管通常在材料合成后才会进行吸附机理的表征和等温/动力学模型的应用，但文献中积累的知识可以为这些方面提供关键反馈。

**结论**
尽管已有大量科学文献探讨了通过吸附去除砷的方法，但目前所开发材料的可持续性仍处于初级阶段，主要依赖于植物基前体、农业和工业废弃物以及矿物材料等。事实上，多项研究表明，通过简单的物理化学改性或掺入金属（特别是铁）可以实现高吸附效率。

**作者贡献声明**
尼科尔特·斯蒂芬妮·卢尔-莫利纳（Nikolt Stephanie Loor-Molina）：可视化、资源管理、数据整理。
安杰洛·诺埃·马尔奎内斯-马尔奎内斯（Angelo Noe Marquínez-Marquínez）：撰写、修订与编辑、初稿撰写、调查、数据分析、概念构思。
齐梅娜·加西亚-卡蒙纳（Ximena García-Carmona）：撰写、修订与编辑、监督、概念构思。
克劳迪娅·乌洛亚-泰塞尔（Claudia Ulloa-Tesser）：撰写、修订与编辑、监督、概念构思。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

**致谢**
安杰洛·诺埃·马尔奎内斯-马尔奎内斯衷心感谢智利国家研究与发展局（ANID）提供的国家博士生奖学金[Doctorado Nacional 2024–21240077]，该奖学金使他能够在康塞普西翁大学完成博士研究。