中国农业大学理学院化学系李静教授团队在过硫酸盐消毒副产物领域取得重要进展

近日，中国农业大学理学院化学系李静教授团队在国际环境领域顶级期刊《水研究》（Water Research）上发研究论文《过氧单硫酸盐活化过程中被忽视的风险：游离氯与挥发性消毒副产物的显著生成》（The overlooked risk of activated peroxymonosulfate: Significant free chlorine and volatile disinfection byproduct formation）。该研究首次利用膜进样质谱（MIMS）技术实现了对过氧单硫酸盐（PMS）高级氧化过程中游离氯的直接、实时定量监测，揭示了活化PMS在含氯水体中生成游离氯及挥发性消毒副产物的显著风险，为安全评估PMS高级氧化技术在实际水处理中的应用提供了重要的理论依据。

图1 过硫酸盐高级氧化过程游离氯及消毒副产物的生成途径

过氧单硫酸盐高级氧化过程（PMS-AOPs）因其高效产生硫酸根自由基（SO₄^•⁻）和羟基自由基（^•OH）的能力，在水处理和地下水修复领域被广泛研究。然而，天然水体中普遍存在的氯离子（Cl⁻）在这一过程中可能被氧化生成游离氯（Cl₂、HOCl、OCl⁻），进而产生有毒的氯代消毒副产物 （图1）。长期以来，环境领域的研究对活化PMS体系中游离氯的生成缺乏直接的定量证据，其生成机理和副产物风险认知存在显著空白。

针对这一关键科学问题，李静教授团队采用MIMS技术，对不同活化方式下PMS体系中游离氯的生成进行了系统研究。结果表明，在Co²⁺/PMS、Fe²⁺/PMS和UV/PMS三种活化体系中，游离氯的生成较非活化PMS体系均显著增强，其中Co²⁺/PMS体系表现最为突出——30分钟内游离氯浓度可达54 μM，基于PMS的转化率高达31%，速率常数约为非活化PMS体系的65倍。

图2 Co²⁺/PMS体系中23种有机污染物的挥发性氯代消毒副产物生成情况

研究选取了23种常见的水中有机污染物（包括烷基胺、氨基酸、染料及含氮微污染物）进行系统评估（图2）。结果表明，所有前体物在Co²⁺/PMS/Cl⁻体系中均可生成挥发性氯代消毒副产物，包括三氯胺（NCl₃）、氯化氰（CNCl）、二氯甲胺（CH₃NCl₂）等。当体系中存在溴离子时，会生成溴代类似物。更重要的是，研究还发现在氯离子浓度低至0.1 mM的天然淡水水体中，活化PMS过程仍有不容忽视的生成氯代消毒副产物的风险。

该研究首次为PMS高级氧化过程中游离氯的生成提供了直接、定量的实验证据，系统阐明了活化方式、氯离子浓度、PMS剂量、pH值及共存溴离子等因素对游离氯和消毒副产物生成的影响规律。研究成果对PMS-AOPs在实际水处理中的应用具有重要指导意义：一方面，活化PMS原位生成的游离氯可提供持续消毒能力；另一方面，其伴随的消毒副产物生成风险不容忽视，亟需在工艺设计中加以权衡和管控。

中国农业大学为该研究的第一完成单位，2023级博士研究生张任远为第一作者，李静教授为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金项目（No. 22076217）的支持。

李静教授团队多年来致力于环境化学研究工作，在挥发性消毒副产物和卤代烃的研究领域得到国际同行的高度认可，先后主持三项国家自然科学基金项目，在《环境科学与技术》（Environmental Science & Technology）、《水研究》（Water Research）等环境领域顶级期刊发表多篇文章。