编者按
为宣传环境工程学科优秀基础研究成果，推动相关研究成果向生态环境治理技术转化并实现工程应用与推广，《环境工程学报》特推出“环境工程学科基础研究领域亮点成果”系列专稿。欢迎相关领域研究者踊跃供稿。本文是该系列专稿的第5篇，推介清华大学刘锐平教授团队在饮用水碘化物非均相转化与控制原理方面取得的重要成果。
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近年来，长期饮用高碘水产生的甲状腺疾病以及区域性人群健康问题得到高度关注。国家卫健委《全国生活饮用水水碘含量调查报告》中指出，我国水源性高碘地区 (水碘含量>100 μg·L−1) 分布于61个旗县，涉及人口超过3000万人；《生活饮用水卫生标准》 (GB 5749) 将碘化物纳入监管，最大质量浓度限值为0.1 mg·L−1。但是，国内外内仍缺乏饮用水碘化物去除控制的成熟工艺和成功范例，难以有效支撑新国标的实施。在国家自然科学杰出青年科学基金 (批准号：51925807) 等资助下，清华大学刘锐平教授团队在饮用水碘化物非均相转化与控制原理方面取得重要进展，相关成果已在Environmental Science Technology和Water Research等学术期刊上发表。
碘化物以一价阴离子形式存在，极难吸附在固相表面，倘若能构造适配界面并有效调控碘化物的形态转化，建立碘化物非均相转化与吸附方法，就有可能实现饮用水除碘技术的重要突破。该研究团队首先制备了具有不同氧化性能和界面特性的α、β、γ和δ等不同晶型MnO2， 发现γ-MnO2具有最优的除碘性能，并证实这主要是由于其适度氧化和最佳吸附能力所致 (图1) ；基于XPS仪器分析了γ-MnO2表面碘元素形态，结果显示，碘化物和活性碘 (HOI+I2) 分别占比为62.5%和37.5%；想比而言，α-和β-MnO2氧化性能最弱，难以获得电子将碘化物氧化为活性碘，具有过强氧化能力的δ-MnO2则将碘化物转化为更难吸附的碘酸盐 (IO3−) 。基于密度泛函理论 (DFT) 的计算结果表明，碘原子在γ-MnO2(131)晶面上吸附能最低，而价带与导带之间的轻微重叠有利于碘化物的非均相氧化。以上相关成果发表于Environmental Science Technology (2022, 56, 13, 9417–9427)。该研究团队还进一步构造了兼具氧化和吸附性能的Bi2O3@MnO2非均相界面，发现Bi2O3@MnO2除碘性能远高于MnO2，且对I−、I2和IO3−等不同形态碘均表现出良好去除性能；研究结果证实，Bi2O3@MnO2中MnO2的主要发挥适度氧化和吸附I−、I2的作用，Bi2O3则对I−和IO3−具有优异性能，I−在Bi2O3表面生成了BiOI；DFT计算显示，I−、I2和IO3−等在Bi2O3@MnO2表面的吸附自由能分别为-2.34 eV、-2.11 eV和-3.89 eV。Bi2O3与MnO2之间非均相氧化与吸附的协同作用极大地提升了除碘吸附容量和反应速率，具有很好的技术优势。前述相关成果已在线发表于Water Research (2022,223:118965) 。
该研究团队揭示了以碘化物非均相转化与吸附为基础的饮用水除碘原理 (图2) ，对饮用水除碘、工业高碘废水、碘放射性废水处理等涉及的材料和工艺设计具有重要应用价值和指导意义。此外，结合饮用水新国标实施和水质安全保障需求，该研究团队提出的除碘工艺方案得到内蒙古自治区水利厅的认可和批复，近期将在内蒙古通辽开展单村应用示范。
