研究人員闡明新興水處理技術(shù)

確保不斷增長(zhǎng)的全球人口能夠獲得清潔水將需要新的水處理方法。這些下一代方法之一涉及一種稱(chēng)為高鐵酸鹽的鐵，它產(chǎn)生的有毒副產(chǎn)物比氯等化學(xué)物質(zhì)少，而且可能比復(fù)雜的臭氧處理系統(tǒng)更便宜、更容易部署。

然而，為了使高鐵酸鹽發(fā)揮最佳作用，它需要與其他化合物結(jié)合或被光能激發(fā)。現(xiàn)在，使用涉及超快激光和X射線脈沖的技術(shù)，羅德島大學(xué)的一個(gè)研究小組揭示了當(dāng)高鐵酸鹽暴露于可見(jiàn)光和紫外光時(shí)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)的新細(xì)節(jié)。該研究結(jié)果發(fā)表在美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)雜志上，可以幫助研究人員優(yōu)化其在水處理應(yīng)用中的使用。

“實(shí)際上從未對(duì)高鐵酸鹽的光活化進(jìn)行過(guò)詳細(xì)研究，”URI化學(xué)助理教授、該研究的通訊作者DuganHayes說(shuō)。“在這項(xiàng)研究中，我們能夠首次揭示其中的一些光物理特性。”

高鐵酸鹽是一種氧化劑，這意味著它可以通過(guò)竊取電子來(lái)分解污染物。就其本身而言，高鐵酸鹽是一種相當(dāng)強(qiáng)的氧化劑。但是當(dāng)被光激發(fā)時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生一種更強(qiáng)大的氧化劑，稱(chēng)為Fe(V)(或鐵5+)。然而，在這項(xiàng)新研究之前，人們并不知道生產(chǎn)Fe(V)需要多少能量，以及可以生產(chǎn)多少量。

為了找出這些東西，卡利·安托里尼(CaliAntolini)博士。海耶斯實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生，使用瞬態(tài)吸收光譜進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這是一種使用超快激光脈沖研究光化學(xué)反應(yīng)的技術(shù)。初始脈沖啟動(dòng)反應(yīng)，而后續(xù)脈沖在反應(yīng)進(jìn)行時(shí)探測(cè)反應(yīng)步驟。脈沖的速度——大約幾千萬(wàn)億分之一秒——讓研究人員能夠詳細(xì)記錄甚至是最短壽命的反應(yīng)產(chǎn)物。

Antolini使用URI的設(shè)施使用紫外線和可見(jiàn)光脈沖進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。她在芝加哥阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的高級(jí)光子源使用X射線進(jìn)行了類(lèi)似的實(shí)驗(yàn)，安托里尼在那里作為能源部學(xué)生研究項(xiàng)目的一部分工作。

研究表明，從高鐵酸鹽到高反應(yīng)性Fe(V)的轉(zhuǎn)化率約為15%。這大致類(lèi)似于臭氧凈化系統(tǒng)的激進(jìn)生產(chǎn)。該研究還產(chǎn)生了與產(chǎn)生更具活性的鐵物質(zhì)所需的光類(lèi)型有關(guān)的令人驚訝的結(jié)果。

該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，從紫外光譜延伸到近可見(jiàn)光的一系列光波長(zhǎng)應(yīng)該能夠產(chǎn)生Fe(V)。研究人員說(shuō)，這是一個(gè)重要的發(fā)現(xiàn)，原因有二?？梢?jiàn)光產(chǎn)生紫外線所需的能量更少，這可以使高鐵酸鹽激發(fā)比以前假設(shè)的更節(jié)能。此外，可見(jiàn)光在渾濁的水中散射較少，這意味著Fe(V)可以在各種水質(zhì)條件下產(chǎn)生。

結(jié)果令約瑟夫古德威爾感到鼓舞，他是URI的土木與環(huán)境工程助理教授，也是研究的合著者。他的部分研究計(jì)劃是尋找彌合大型城市水處理系統(tǒng)和小型農(nóng)村系統(tǒng)之間“凈水差距”的方法。

Goodwill說(shuō)，基于高鐵酸鹽的凈化系統(tǒng)對(duì)于較小的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是一個(gè)很有前途的選擇，因?yàn)樵谶@些系統(tǒng)中，昂貴而復(fù)雜的臭氧系統(tǒng)并不實(shí)用。高鐵酸鹽還有可能減少對(duì)氯等刺激性化學(xué)物質(zhì)的依賴(lài)，甚至可以消除氯無(wú)法去除的頑固污染物。

其中包括全氟/多氟烷基物質(zhì)(PFAS)，這是一類(lèi)越來(lái)越多地出現(xiàn)在美國(guó)水井和水系統(tǒng)中的化學(xué)物質(zhì)。但在高鐵酸鹽系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用之前，科學(xué)家需要更好地了解高鐵酸鹽化學(xué)。

“很難從機(jī)械上理解從高鐵酸鹽形成強(qiáng)氧化劑的過(guò)程，這阻礙了水處理應(yīng)用中的工藝優(yōu)化和全面實(shí)施，”Goodwill說(shuō)。“本文提出的結(jié)果提高了我們對(duì)高鐵酸鹽系統(tǒng)的基本理解，這為應(yīng)用打開(kāi)了大門(mén)。”

研究人員希望這些關(guān)于高鐵酸鹽光化學(xué)如何工作的新發(fā)現(xiàn)將有助于擴(kuò)大鐵基水處理的應(yīng)用。

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