使用胶体活性炭从地下水中去除选定的药物污染物

水中药片为何重要

我们服用的许多药物不会全部留在体内。止痛药、抗癫痫药物，甚至咖啡因的微量残留可以通过污水管道进入污水处理厂，部分经处理后仍能存活并渗入地下水。地下水是全球重要的饮用水来源之一。本文所述研究探索了一种在污染物扩散到更大范围之前，于地下原位捕获这些难去除药物残留的新方法——使用一种可直接注入地下的高度多孔碳材料。

日常生活中看不见的残留物

现代生活离不开药物，从常见的兴奋剂咖啡因到专用的抗癫痫药物如卡马西平和拉莫三嗪。这些化合物被设计为在体内不易分解，因此常常穿透常规污水处理。结果，科学家在欧洲、美国、亚洲和中东的河流、湖泊和地下水中发现了它们的踪迹，有时甚至出现在偏远含水层。即使在很低浓度下，它们的持续存在也会引发对生态系统、野生动植物及人类健康长期影响的担忧。工程师和监管机构面临的挑战是如何从水中去除这些“新兴污染物”。

地下的一种细颗粒碳海绵

一种有前景的方法是吸附，即污染物粘附到固体表面。活性炭在这方面尤为出色，因为其充满微小孔隙，提供了巨大的内表面积供分子附着。本研究团队关注一种称为胶体活性炭的特殊形式，由非常小的颗粒组成，在水中形成稳定的浆体。这种浆体可以注入地下，颗粒会包覆砂粒和碳酸盐颗粒，形成一种看不见的过滤区，地下水必须流经该区。研究人员首先对这种炭进行了表征，发现它主要由碳组成，含有少量钾，极为多孔，颗粒仅有几微米大小，表面带负电荷，这有助于它们在水中保持分散。

测试一个微型地下过滤器

为了检验这种炭对药物的捕获能力，科学家构建了小型透明柱，填充砂、碳酸盐岩或两者的50:50混合物，以模拟天然沉积层。他们以受控流速自下而上抽注掺入咖啡因、卡马西平和拉莫三嗪的水，并加入定量的胶体活性炭。通过比较进入和流出水中的药物浓度，可以追踪过滤器何时开始“穿透”——即污染物开始越过滤层——以及碳几乎饱和前的持续时间。他们还使用数学“剂量-反应”曲线来描述这些穿透模式的形态，并估算在不同条件下每种化合物的吸附容量。

哪些因素控制去除量

实验表明，运行条件对性能有强烈影响。较慢的流速提供了更长的接触时间，从而延迟穿透，但他们测试的最高流速在柱尚未完全耗尽前显示每克炭的吸附量最大，因为更多受污染的水通过了柱体。增加柱中炭的量可以延长穿透和饱和前的时间，反映出更多可用的吸附位点。起始污染物溶液浓度越高会导致更快的穿透和更陡的穿透曲线，因为结合位点更快被占满，但同时也增加了捕获的药物总质量。床层材料类型也很重要：混合砂-碳酸盐床在穿透前提供了最长的保护并具有更好的整体保留效果，可能是因为它在化学相互作用和均匀流动之间取得了平衡。

从实验室测试到真实地下水

最后，研究人员在先前实验中确定的最佳条件下——中等流速、适度的炭投加量和混合砂-碳酸盐床——对掺入三种目标药物的真实地下水进行了测试。在这一更具现实意义的试验中，碳屏障将穿透延迟了两小时以上，并在七小时以上持续去除这些药物。总体而言，在基本饱和之前，它捕获了约40%的进入药物质量。考虑到胶体活性炭可以直接注入含水层，这些结果表明工程师可在地下构建反应区，拦截并削弱药物污染羽流，从而有助于保护饮用水源。

对更安全供水的意义

简言之，该研究表明，细分散的碳“海绵”可在地下沉积物中扩散，以捕捉随地下水迁移的药物微量残留物。尽管它不能清除所有污染物，但在现实条件下能显著减少像咖啡因、卡马西平和拉莫三嗪这类持久性药物的负荷。由于该材料高度多孔且可原位部署，它为在含水层中强化天然屏障提供了一种可行方案，而无需建设大型处理厂。经过进一步优化和现场试验，这种地下碳屏障有望成为将我们药物柜中不可见残留物阻隔在饮用水之外的重要工具。

引用: Alghamdi, S., Tawabini, B., Abdullah, A. et al. Removal of selected pharmaceutical pollutants from groundwater using colloidal activated carbon. Sci Rep 16, 8470 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36859-7

关键词: 地下水污染, 药物污染物, 活性炭, 水处理, 吸附