阿尔伯塔大学曾宏波教授团队《AM》：构筑CO₂响应型智能木头净水器，助力水源天然有机物高效去除，守护全球家庭饮用水安全

摘要：清洁水资源是人类生存的基本保障，也是2030年可持续发展目标（SDGs）的核心要素之一。天然有机物（NOM）在自然水体环境中普遍存在，是饮用水源中最常见的有机污染物之一，其来源于鱼类、甲壳类动物、藻类等有机物的自然分解。NOM不仅为病原体提供载体，而且对水循环

清洁水资源是人类生存的基本保障，也是2030年可持续发展目标（SDGs）的核心要素之一。天然有机物（NOM）在自然水体环境中普遍存在，是饮用水源中最常见的有机污染物之一，其来源于鱼类、甲壳类动物、藻类等有机物的自然分解。NOM不仅为病原体提供载体，而且对水循环造成严重生态毒理学威胁。最为严重的是，NOM是饮用水源常规氯消毒过程中形成的数百种致癌消毒副产物（DBPs，如卤代酚、三卤甲烷等）主要前驱体，与人体膀胱癌、结肠癌、直肠癌等严重健康问题广泛关联。

因此，开发水源NOM去除技术迫在眉睫。然而，现有技术手段包括混凝、催化氧化、芬顿降解法等普遍面临净水能力与使用安全性之间的关键权衡，尤其易受到水处理过程中有毒有害化学品残留或生成带来的水体二次污染问题困扰，进而导致新的饮用水安全隐患，严重背离清洁水处理目标的初衷。针对上述问题，加拿大阿尔伯塔大学曾宏波教授团队开发了一种CO2响应型智能木头材料，通过无毒CO2气体激活机制，实现了对致癌DBPs主要前驱体NOM的高效去除及水体广谱抗菌消毒，无需添加额外化学试剂或生成有害副产物。该绿色CO2响应策略为解决含NOM饮用水源处理中二次污染关键难题提供了一种颠覆性的新方案，并展现出良好的可扩展性和可持续性，有望在环境净化等领域得到广泛应用。

相关工作以“CO2-Responsive Smart Wood Scaffold for Natural Organic Matter Removal without Secondary Pollution”为题，发表在《AdVanced Materials》上。加拿大阿尔伯塔大学曾宏波教授（加拿大皇家科学院和加拿大工程院两院院士）为论文通讯作者，广州医科大学刘季芳教授和阿尔伯塔大学赵子谦博士为共同通讯作者，博士生杨林为第一作者。

木材是地球上最丰富的生物质资源和规模最大的可再生材料。将其与CO2响应策略相结合，构造出的生态友好型木头基智能材料在环境领域应用中具有显著优势。该研究通过简便的浸涂法，设计得到具有分级多层结构的CO22气体作为无污染的触发器，该智能木头表面切换为带正电荷状态，进而显著增强了对水源中NOM的吸附去除能力，同时展现出优异的广谱抗菌消毒性能，无需额外的预处理步骤。研究结果表明，CO22响应型智能净水系统极大程度上降低了致癌DBPs的生成风险，且无二次污染问题，从源头上保障饮用水的整体安全性。

2腐殖酸（HA）在NOM中的成分中占主导地位，其结构具有NOM的代表性，该研究选取HA作为模型NOM开展系统研究。宏观吸附实验、石英晶体微天平（QCM）、三维荧光激发发射矩阵（EEM）光谱、光热红外（O-PTIR）光谱、和X射线光电子能谱（XPS）等结果表明，CO2响应型智能木头材料（Wood/CP-3）可利用CO222刺激下，Wood/CP-3对HA的去除效率由6.5%显著提升至96.3%。当应对复杂水体环境，如含阴阳离子、重金属、表面活性剂、和无机物颗粒等条件下，Wood/CP-3依然展现出对HA高达95.8%的去除率，表明其富有前景的实际应用潜力。

图2: CO2触发的NOM吸附性能评估

该研究通过电喷雾电离源傅里叶变换离子回旋共振质谱（ESI-FT-ICR-MS）技术，分析其Van Krevelen图观察到HA中几乎所有的芳香族组分都被Wood/CP-3吸附去除。同时，Wood/CP-3也更倾向于去除低H/C比和高双键当量（DBE）值的HA分子组分。此外，还基于阳离子干扰吸附实验、原子力显微镜相互作用测量、和量子化学模拟等结果表明，Wood/CP-3对于HA的高效吸附去除可能主要归因于CO2触发的阳离子−π作用。

2概念验证实验表明，该CO2响应型木头净水器对于多种不同类型来源（河流、土壤、泥炭、风化褐煤）、海水高盐度条件下、以及现实生活中的多种实际水样（地下水、湖水、池水、雨水、河水、海水、溪水、自来水）中的NOM和微生物均具有优异的净化效果，处理后的水质在UV254、溶解性有机碳（DOC）、细菌含量等多项关键指标上，均达到加拿大/WHO饮用水标准。此外，细胞毒性实验证明该CO2响应型木头净水器安全无毒，保障了其在水处理操作中的生物安全性。回收的HA可用作肥料，能有效促进大蒜模型植物发芽和缩短生长周期，从而减少肥料使用和水消耗，在现代农业生产中具有潜在价值。

2响应型木头净水器应用验证

【小结】

该研究开发出一种新型的分级多层结构的CO2响应型智能木头净水器，作为高效去除天然有机物（NOM）并实现饮用水源广谱抗菌净化的先进材料，全过程无二次污染。该智能且无毒的木头净水器在多种复杂乃至现实水体环境条件下依然能保持其卓越性能。木材易获取、成本低、可加工性强，CO22响应策略的前沿材料设计框架，为实现安全、可持续、无二次污染的下一代水净化技术提供了新思路与新途径。