突破性进展!工程纳米材料结合光电催化净化农药废水

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阿特拉津在北美是使用最广泛的农药之一,在整个水环境甚至饮用水中都发现过阿特拉津。美国国家科学研究所(INRS)的研究人员结合了新的纳米结构材料和阳光开发了一种新的降解方法。


传统的水处理方法不能有效地降解这种杀虫剂,虽然可以有效去除水中的农药,但是使用的化学物质会在环境中留下有毒的副产物。


纳米结构材料专家及电子技术和水处理专家共同努力开发了一种新型的阿特拉津生态降解工艺,新工艺应尽可能地减少化学物质的使用。主要作者艾尔·卡卡尼教授说:“通过协同工作,我们能够开发出我们永远无法单独实现的水处理工艺。”研究结果今天发表在《今日催化》杂志上。


突破性进展!工程纳米材料结合光电催化净化农药废水


研究人员使用了一种称为光电催化或PEC的现有工艺并对其进行了优化,以降解阿特拉津。反应过程适用于带相反电荷的两个光电极(光敏电极)。在光和电势的作用下,它产生在光电极的表面上自由基。这些自由基与阿特拉津分子相互作用并使它们降解。


自由基不像氯那样会留下有毒的副产物,具有很高的反应性和很好的稳定性,但是自由基的存在时间很短。


材料的挑战


为了制造光电极(光敏电极),埃尔卡卡尼教授选择氧化钛(TiO 2),氧化钛资源丰富,化学稳定,可用于许多领域,包括油漆或防晒霜中的白色颜料。通常这种半导体材料将紫外线提供的光能转换为活性电荷。为了利用整个太阳光谱,即除了紫外线外还可见光,埃尔卡卡尼教授必须使TiO2薄膜对可见光敏感。为此他的团队通过使用等离子工艺掺入氮和钨原子,在原子尺度上修饰了氧化钛。这种掺杂降低了触发这些新型光电电极中PEC所需的光子能量。


由于PEC工艺实际上是一种表面处理,因此大体积的处理需要光电极的大表面积。哈卡尼教授的团队利用了纳米结构化光电极表面的优势。增加纳米结构的有效表面而不改变物理表面。


新工艺效率及其局限性


开发出光电极并将其集成到PEC反应器中,Drogui教授的团队便会优化反应过程。他的团队首先使用了添加了阿特拉津的去离子水样品。处理300分钟后,带有光电极的PEC消除了约60%的农药。然后,研究人员继续研究从尼古列特河(加拿大QC)附近经常使用除草剂的集约化玉米和大豆农业地区收集的真实水样。


当使用实际的水样品时,最初只有8%的阿特拉津被降解。较低的百分比是由于存在悬浮颗粒,阻止了许多光到达光电电极。溶液中存在的物质可以附着在电极上,从而减小其有效面积。利用其在水净化方面的专业知识,Drogui教授的团队在重新应用PEC方法之前,对某些物种进行了基于混凝和过滤的预处理。然后他们成功降解了实际样品中38%至40%的阿特拉津。


与合成水相比,处理效率仍然相对较低,因为实际水包含碳酸氢盐和磷酸盐,它们会捕获自由基并阻止它们与at去津反应。Drogui教授说:“通过化学混凝进行预处理有助于除去磷酸盐,但不能除去碳酸氢盐。可以加入钙来使它们沉淀,但是我们希望最大限度地减少化学药品的使用。”


在去除悬浮颗粒和可凝结物之后,研究团队新优化的PEC可以用作第三级处理。但是,在考虑大规模使用之前,需要进行工业化前的演示阶段。最后,他们的过程已被用于降解阿特拉津,但两个团队继续合作以解决水中其他正在出现的污染物和抗生素残留。


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