卤族元素指代元素周期表VIIA族元素，包括氟（F）、氯（Cl）、溴（Br）、碘（I）、砹（At）等，简称卤素。在水处理过程中，人们重点关注的是氯、溴、碘三种元素。它们以离子（Cl-、Br-、I-）、单质（Cl2、Br2、I2）、含氧化物（HOCl、HOBr、HOI、ClO2-、ClO3-、BrO3-、IO3-、Br2O、Cl2O、ClO2等）、复合物（BrCl、ICl、BrOCl等）、卤代有机质（卤乙酸（HAAs）、三卤甲烷（THMs）等）等形态存在，构成了水圈享有盛名的家族（图1）。龙生九子，各有不同。虽同出卤素家族，不同卤素形态在风云变化的水处理过程中，却表现出亦正亦邪的双重特性。

图1. 卤素家族成员组成

次卤酸（如次氯酸（HOCl和OCl-）、次溴酸（HOBr和OBr-））和二氧化氯（ClO2）是一类广为人知的消毒剂，能有效灭活大部分病原微生物，因此在饮用水、泳池、医院消毒等场合被广泛应用。它们的强氧化性同时也是水中共存有机质消减的重要驱动力。事实上，在次卤酸和ClO2消毒过程中，一些“少数派”卤素形态（如Cl2O/Cl2/Br2O/Br2/Cl2O3）的存在一直被忽略。这些卤素形态虽浓度（兵力）远低于次氯（溴）酸，但由于与有机物的高反应活性（武力），其在有机物消减（灭敌）过程中扮演着举足轻重的作用（Water Res., 2020,187,116424; Water Res., 2022,222,118886 ）（图2）。“少数派”高活性卤素形态的异军突起为次氯（溴）酸与有机物作用过程注入新的血液。然而，针对这些“少数派”物理化学性质（如化学反应过程中的转化行为、与有机物反应机理等）的研究亟需进一步深入。

图2. 不同卤素形态在有机物消减过程中的作用对比

卤素离子（Cl-、Br-和I-）本是水中普罗大众中的一员。然而，在氧化剂/消毒剂大军进犯之际，终因势单力薄被裹挟，走上一条黑化之路（图3）。卤素离子，尤其是碘离子，极易被多种氧化剂氧化生成活性次卤酸（次氯酸、次溴酸和次碘酸）。次卤酸是水处理领域顶流，凭借自身亲电取代/加成的特技，俘获大批富电子的粉丝团（酚类、烯烃类、胺类），并将它们同化为卤素家族有机形态—卤代有机质。沦为傀儡的卤代有机质自此心生怨念，成为水处理过程中的危险分子。一方面，卤代有机质自身携带毒性；另一方面，在与消毒剂抗争中，卤代有机质极易分身为小分子卤代消毒副产物。纵观被黑化的卤素离子的一生，次卤酸及其暴露量在其中起着关键作用；而次卤酸与富电子粉丝团和氧化剂/消毒剂之间的拉锯之争，决定了其暴露量的大小（Water Res., 2018,135, 75-84; Water Res., 2018, 143, 47-55; Chem. Eng. J.,386,123833 ）。然而，卤代有机质在消毒处理中，如何分身至小分子卤代消毒副产物？藏在暗处的卤代消毒副产物究竟有哪些？等谜团仍需解答。

图3.  卤素离子黑化历程

大多数卤代有机质都野心勃勃，不甘平庸度过一生。因此，在各种对外交流场合下（氧化或消毒处理过程中），它们都不遗余力地培植自己的势力（生成消毒副产物），队伍不断壮大。一时之间，多达800大员登上“已知结构消毒副产物榜”榜单。此外，还有数目不清的隐蔽战线盟军（未知结构消毒副产物）匿于暗处，伺机而动。树大必招风，德亏终行寡。暗藏祸心（毒性）的卤代有机质行事张扬，其中尤以自视功（毒性）高的碘代有机质为甚，最终成为消毒/氧化正义之师的重点打击对象。深谙兵法的消毒/氧化大军洞悉碘代有机质实为次碘酸傀儡的机密，打出擒贼先擒王的奇招。派出明星将领单过硫酸盐，快速歼灭次碘酸，浇灭其嚣张气焰（暴露量），并最终将其点化为稳定、低毒的碘酸盐，成功扭转了卤素离子被黑化的水生旅程（Environ. Sci. Technol. Lett., 2017, 4, 76-82; Environ. Sci. Water Res. Technol., 2019, 5, 1515-1522）（图4）。本性善良的酚类、烯烃类粉丝团在失去次碘酸迷惑后，安守本分，乐享水生。然而，水生险恶，道阻且长。隐匿队伍（未知结构消毒副产物）规模几何？消毒与氧化双方如何优化合作方式最大程度打击敌人？这些难题尚待爱护水生的广大环生同仁解答。

图4. 拯救卤素碘离子