清潔用水，正成為全球范圍日益受到重視的一大資源利用問(wèn)題。為了確保不斷增長(zhǎng)的全球人口能夠獲得清潔的水，開發(fā)新的水處理方法也被提上了日程。

你可能想不到，當(dāng)一種叫做高鐵酸鹽的鐵暴露在特殊光線（激光）下并發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，或?qū)⒊蔀?a class="innerlink" href="http://ihrv.cn/tags/水處理技術(shù)" target="_blank">水處理技術(shù)的一大加持。據(jù)悉，高鐵酸鹽產(chǎn)生的有毒副產(chǎn)物比氯等化學(xué)物質(zhì)更少，而且可能比復(fù)雜的臭氧處理系統(tǒng)更便宜，更容易部署。

這種新處理手段比較棘手的問(wèn)題就在于，它需要與其他化合物結(jié)合或被光能激發(fā)，才能使高鐵酸鹽發(fā)揮最佳的水消毒凈化效果。

近日，美國(guó)羅德島大學(xué)（URI）的一組研究人員使用一種涉及超高速激光和X射線脈沖的技術(shù)，揭示了高鐵酸鹽暴露在可見光和紫外線下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的新細(xì)節(jié)。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)雜志》（JACS）上，可以幫助研究人員優(yōu)化其在水處理中的應(yīng)用。

羅德島大學(xué)化學(xué)助理教授、該研究的通訊作者Dugan Hayes表示，高鐵酸鹽的光激活此前從未被詳細(xì)研究過(guò)，這項(xiàng)研究中他們的團(tuán)隊(duì)首次揭示了其中的一些光物理性質(zhì)。

高鐵酸鹽是一種氧化劑，這意味著它可以通過(guò)“竊取”污染物的電子來(lái)分解污染物。高鐵酸鹽本身是一種相當(dāng)強(qiáng)的氧化劑，但當(dāng)被光激發(fā)時(shí)它會(huì)產(chǎn)生一種更強(qiáng)的氧化劑，稱為Fe（V）（或Fe5＋）。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)多少能量。

為了明確這些方面，Dugan Hayes實(shí)驗(yàn)室的博士生Cali Antolini牽頭開展了一項(xiàng)瞬態(tài)吸收光譜實(shí)驗(yàn)，這其實(shí)是一種利用超高速激光脈沖研究光化學(xué)反應(yīng)的技術(shù)。

Cali Antolini借助羅德島大學(xué)的設(shè)施，利用紫外線和可見光脈沖進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。此外，她還在芝加哥阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的先進(jìn)光子源大型同步加速器平臺(tái)上使用X射線進(jìn)行了類似的實(shí)驗(yàn)。

在該實(shí)驗(yàn)中，最初的脈沖負(fù)責(zé)啟動(dòng)反應(yīng)，而后續(xù)的脈沖則負(fù)責(zé)探測(cè)反應(yīng)的過(guò)程。激光脈沖的速度大約為千萬(wàn)億分之一秒，這讓研究人員可以詳細(xì)記錄哪怕是最短時(shí)間內(nèi)的反應(yīng)產(chǎn)物。

研究結(jié)果表明，高鐵酸鹽與高活性Fe（V）的轉(zhuǎn)化率約為15％。這項(xiàng)研究還發(fā)現(xiàn)，從紫外光譜延伸到可見光光譜的一系列波長(zhǎng)應(yīng)該能夠產(chǎn)生Fe（V）。

研究人員表示，這一重要發(fā)現(xiàn)有兩個(gè)原因：首先，可見光產(chǎn)生紫外光所需的能量更少，這使得高鐵酸鹽激發(fā)的能量效率比之前假設(shè)的更高。此外，可見光在渾濁的水中散射較少，這意味著Fe（V）可以在各種各樣的水條件下產(chǎn)生。

該研究還有助于找到一種能夠彌合大型城市水處理系統(tǒng)和小型農(nóng)村水處理系統(tǒng)之間“清潔水差距”（clean water gap）的方法。高鐵酸鹽凈化系統(tǒng)的建造更小型化、成本更低，相比昂貴而復(fù)雜的臭氧處理系統(tǒng)而言實(shí)用性有望得以提升。此外，高鐵酸鹽也有望減少對(duì)氯等刺激性化學(xué)物質(zhì)的依賴，甚至可能消除氯無(wú)法去除的頑固污染物，其中包括在美國(guó)各地水系統(tǒng)中越來(lái)越常見的化學(xué)物質(zhì)——全氟／多氟烷基物質(zhì)（PFAS）。但在高鐵酸鹽系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用之前，科學(xué)家們需要更好地了解高鐵酸鹽的化學(xué)性質(zhì)。

這項(xiàng)研究的合著者、羅德島大學(xué)土木與環(huán)境工程助理教授Joseph Goodwill表示：“高鐵酸鹽中強(qiáng)氧化劑的形成很難從機(jī)理上理解，這阻礙了工藝優(yōu)化和在水處理應(yīng)用中的全面實(shí)施。而這篇論文中得出的結(jié)論提高了我們對(duì)高鐵酸鹽體系的基本理解，為這一應(yīng)用打開了大門。”

研究人員希望這些關(guān)于高鐵酸鹽光化學(xué)工作原理的新發(fā)現(xiàn)將有助于擴(kuò)大鐵基水處理的使用。目前這項(xiàng)研究已經(jīng)得到了美國(guó)能源部（DE－SC0019429和DE－AC02－06CH11357）和美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（2046383）的支持。

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