Ученые пролили свет на новую технику очистки воды

Прочитано: 529 раз(а)


Ученые пролили лазерный свет на новую технику очистки воды.

Для обеспечения доступа растущего населения мира к чистой воде потребуются новые методы очистки воды. Один из этих методов следующего поколения включает в себя форму железа, называемую ферратом, который создает меньше токсичных побочных продуктов, чем химические вещества, такие как хлор, и потенциально дешевле и проще в развертывании, чем сложные системы обработки озоном.

Однако для того, чтобы феррат работал лучше всего, его необходимо комбинировать с другими соединениями или возбуждать световой энергией . Теперь, используя технику, включающую сверхбыстрые лазерные и рентгеновские импульсы, группа исследователей из Университета Род-Айленда раскрыла новые подробности о химической реакции, которая происходит, когда феррат подвергается воздействию видимого и ультрафиолетового света. Выводы, опубликованные в Журнале Американского химического общества , могут помочь исследователям оптимизировать его использование для очистки воды.

«Активация феррата светом никогда подробно не исследовалась», — сказал Дуган Хейс, доцент кафедры химии URI и автор исследования. «В этом исследовании мы впервые смогли выявить некоторые из этих фотофизических свойств».

Феррат является окислителем, а это означает, что он может расщеплять загрязняющие вещества, похищая их электроны. Сам по себе феррат является довольно сильным окислителем. Но при возбуждении светом он производит еще более мощный окислитель, известный как Fe(V) (или железо-5+). Однако до этого нового исследования было неизвестно, сколько энергии требуется для производства Fe(V) и в каких количествах его можно производить.

Чтобы выяснить это, Кали Антолини, доктор философии. студент лаборатории Хейса, руководил экспериментами с использованием спектроскопии нестационарного поглощения, метода, который исследует фотохимические реакции с использованием сверхбыстрых лазерных импульсов. Начальный импульс инициирует реакцию, а последующие импульсы исследуют этапы реакции по мере их развития. Скорость импульсов — порядка нескольких квадриллионных долей секунды — дает исследователям подробную информацию даже о самых короткоживущих продуктах реакции.

Антолини провел эксперименты с использованием импульсов ультрафиолетового и видимого света, используя оборудование URI. Она провела аналогичные эксперименты с использованием рентгеновских лучей в Усовершенствованном источнике фотонов Аргоннской национальной лаборатории в Чикаго, где Антолини работает в рамках студенческой исследовательской программы Министерства энергетики.

Работа показала, что степень превращения феррата в высокореакционное Fe(V) составляет около 15%. Это примерно похоже на радикальное производство систем очистки озона. Исследование также дало неожиданные результаты, связанные с типом света, необходимого для производства более активных форм железа.

Команда обнаружила, что диапазон длин волн света, простирающийся от ультрафиолетового спектра почти до видимого, должен производить Fe(V). По словам исследователей, это важное открытие по двум причинам. Видимый свет требует меньше энергии для производства этого ультрафиолетового света , что может сделать возбуждение феррата более энергоэффективным, чем предполагалось ранее. Кроме того, видимый свет меньше рассеивается в мутной воде, а это означает, что Fe(V) может образовываться в самых разных условиях воды.

Результаты обнадеживают Джозефа Гудвилла, доцента гражданской и экологической инженерии URI и соавтора исследования. Частью его исследовательской программы является поиск способов преодоления « разрыва в чистой воде » между более крупными городскими системами очистки воды и небольшими сельскими системами.

По словам Гудвилла, системы очистки на основе феррата являются многообещающим вариантом для небольших систем, где дорогие и сложные системы озона нецелесообразны. Феррат также может снизить зависимость от агрессивных химикатов, таких как хлор, и может даже устранить стойкие загрязнения, которые хлор не может удалить.

К ним относятся пер-/полифторалкильные вещества (PFAS), класс химических веществ, которые все чаще встречаются в колодцах и системах водоснабжения в США. Но прежде чем ферратные системы можно будет широко использовать, ученым необходимо лучше понять химию ферратов.

«Формирование мощных окислителей из феррата было трудно понять с точки зрения механизма, и это заблокировало оптимизацию процесса и полномасштабное внедрение в приложениях по очистке воды», — сказал Гудвилл. «Результаты, представленные в этой статье, улучшают наше фундаментальное понимание ферратной системы, что открывает двери для приложений».

Исследователи надеются, что эти новые данные о том, как работает фотохимия феррата, помогут расширить использование обработки воды на основе железа.

Ученые пролили свет на новую технику очистки воды



Новости партнеров