研究人員闡明新興水處理技術(shù)

確保不斷增長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為高鐵酸鹽的鐵，它產(chǎn)生的有毒副產(chǎn)物比氯等化學物質(zhì)少，而且可能比復雜的臭氧處理系統(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)?，F(xiàn)在，使用涉及超快激光和X射線脈沖的技術(shù)，羅德島大學的一個研究小組揭示了當高鐵酸鹽暴露于可見光和紫外光時發(fā)生的化學反應的新細節(jié)。該研究結(jié)果發(fā)表在美國化學學會雜志上，可以幫助研究人員優(yōu)化其在水處理應用中的使用。

“實際上從未對高鐵酸鹽的光活化進行過詳細研究，”URI化學助理教授、該研究的通訊作者DuganHayes說。“在這項研究中，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竊取電子來分解污染物。就其本身而言，高鐵酸鹽是一種相當強的氧化劑。但是當被光激發(fā)時，它會產(chǎn)生一種更強大的氧化劑，稱為Fe(V)(或鐵5+)。然而，在這項新研究之前，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。海耶斯實驗室的學生，使用瞬態(tài)吸收光譜進行實驗，這是一種使用超快激光脈沖研究光化學反應的技術(shù)。初始脈沖啟動反應，而后續(xù)脈沖在反應進行時探測反應步驟。脈沖的速度——大約幾千萬億分之一秒——讓研究人員能夠詳細記錄甚至是最短壽命的反應產(chǎn)物。

Antolini使用URI的設施使用紫外線和可見光脈沖進行了實驗。她在芝加哥阿貢國家實驗室的高級光子源使用X射線進行了類似的實驗，安托里尼在那里作為能源部學生研究項目的一部分工作。

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

該團隊發(fā)現(xiàn)，從紫外光譜延伸到近可見光的一系列光波長應該能夠產(chǎn)生Fe(V)。研究人員說，這是一個重要的發(fā)現(xiàn)，原因有二。可見光產(chǎn)生紫外線所需的能量更少，這可以使高鐵酸鹽激發(fā)比以前假設的更節(jié)能。此外，可見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，基于高鐵酸鹽的凈化系統(tǒng)對于較小的系統(tǒng)來說是一個很有前途的選擇，因為在這些系統(tǒng)中，昂貴而復雜的臭氧系統(tǒng)并不實用。高鐵酸鹽還有可能減少對氯等刺激性化學物質(zhì)的依賴，甚至可以消除氯無法去除的頑固污染物。

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

“很難從機械上理解從高鐵酸鹽形成強氧化劑的過程，這阻礙了水處理應用中的工藝優(yōu)化和全面實施，”Goodwill說。“本文提出的結(jié)果提高了我們對高鐵酸鹽系統(tǒng)的基本理解，這為應用打開了大門。”

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

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