研究人员阐明新兴水处理技术

确保不断增长的全球人口能够获得清洁水将需要新的水处理方法。这些下一代方法之一涉及一种称为高铁酸盐的铁，它产生的有毒副产物比氯等化学物质少，而且可能比复杂的臭氧处理系统更便宜、更容易部署。

然而，为了使高铁酸盐发挥最佳作用，它需要与其他化合物结合或被光能激发。现在，使用涉及超快激光和 X 射线脉冲的技术，罗德岛大学的一个研究小组揭示了当高铁酸盐暴露于可见光和紫外光时发生的化学反应的新细节。该研究结果发表在 化学学会杂志上，可以帮助研究人员优化其在水处理应用中的使用。

“实际上从未对高铁酸盐的光活化进行过详细研究，”URI 化学助理教授、该研究的通讯作者 Dugan Hayes 说。“在这项研究中，我们首次能够揭示其中的一些光物理特性。”

高铁酸盐是一种氧化剂，这意味着它可以通过窃取电子来分解污染物。就其本身而言，高铁酸盐是一种相当强的氧化剂。但是当被光激发时，它会产生一种更强大的氧化剂，称为 Fe(V)(或铁 5+)。然而，在这项新研究之前，人们并不知道生产 Fe(V) 需要多少能量，以及可以生产多少量。

为了找出这些东西，卡利·安托里尼 (Cali Antolini) 博士。海耶斯实验室的学生，使用瞬态吸收光谱进行实验，这是一种使用超快激光脉冲研究光化学反应的技术。初始脉冲启动反应，而后续脉冲在反应进行时探测反应步骤。脉冲的速度——大约几千万亿分之一秒——让研究人员能够详细记录甚至是最短寿命的反应产物。

Antolini 使用 URI 的设施使用紫外线和可见光脉冲进行了实验。她在芝加哥阿贡国家实验室的高级光子源使用 X 射线进行了类似的实验， 安托里尼在那里 作为能源部学生研究项目的一部分工作。

研究表明，从高铁酸盐到高反应性 Fe(V) 的转化率约为 15%。这大致类似于臭氧净化系统的激进生产。该研究还产生了与产生更具活性的铁物质所需的光类型有关的令人惊讶的结果。该团队发现，从紫外光谱延伸到近可见光的一系列光波长应该能够产生 Fe(V)。研究人员说，这是一个重要的发现，原因有二。可见光产生紫外线所需的能量更少，这可以使高铁酸盐激发比之前假设的更节能。此外，可见光在浑浊的水中散射较少，这意味着 Fe(V) 可以在各种水质条件下产生。

结果令约瑟夫古德威尔感到鼓舞，他是 URI 的土木与环境工程助理教授，也是研究的合著者。他的部分研究计划是寻找弥合大型城市水处理系统和小型农村系统之间“净水差距”的方法。

Goodwill 说，基于高铁酸盐的净化系统对于较小的系统来说是一个很有前途的选择，因为在这些系统中，昂贵而复杂的臭氧系统并不实用。高铁酸盐还有可能减少对氯等刺激性化学物质的依赖，甚至可以消除氯无法去除的顽固污染物。其中包括全氟/多氟烷基物质 (PFAS)，这是一类越来越多地出现在水井和供水系统中的化学物质。但在高铁酸盐系统得到广泛应用之前，科学家需要更好地了解高铁酸盐化学。

“高铁酸盐形成强氧化剂的机理一直难以理解，这阻碍了工艺优化和水处理应用的全面实施，”Goodwill 说。“本文提出的结果提高了我们对高铁酸盐系统的基本理解，这为应用打开了大门。”

研究人员希望这些关于高铁酸盐光化学如何工作的新发现将有助于扩大铁基水处理的应用。

该研究得到能源部 (DE-SC0019429 和 DE-AC02-06CH11357) 和国家科学基金会 (2046383) 的支持。