近日，美國(guó)德雷塞爾大學(xué)工程學(xué)院的教授米歇爾·巴蘇姆博士及其團(tuán)隊(duì)找到了一種新的處理染料廢水的解決方案：使用微小的納米絲可以有效去除紡織品、化妝品、油墨、紙張等廠家所排放的染料廢水。

該材料是一種新型的氧化鈦光催化劑材料，在可見光譜下具有分解羅丹明 6G 和結(jié)晶紫這兩種常見染料污染物的能力。將催化劑與染料以 1 ∶ 1 的比例混合，在短短 30 分鐘內(nèi)，將兩種染料的濃度分別降低了 90% 和 64%。 “這是一個(gè)令人興奮的發(fā)現(xiàn)，因?yàn)樗兄趶U水處理過程的真正挑戰(zhàn)，” 巴蘇姆說，“我們預(yù)計(jì)，將我們的氧化鈦光催化劑集成到當(dāng)前的工藝中可以提高其去除這些化學(xué)物質(zhì)的有效性，并減少反應(yīng)過程所需的能量。” 該過程從吸附開始，即染料粘附在納米絲表面，一旦被照亮就會(huì)發(fā)生光催化反應(yīng)，染料使納米絲對(duì)可見光敏感。 這個(gè)過程加速了降解，使染料分解成無害的副產(chǎn)品，如二氧化碳和水。

研究論文發(fā)表在 10 月 10 日出版的美國(guó)愛思唯爾旗下材料學(xué)旗艦刊物《物質(zhì)》上。研究發(fā)現(xiàn)，染料降解和自敏化過程的關(guān)鍵是材料具有產(chǎn)生電子空穴和被稱為 ROS 能力，即羥基、超氧化物和單線態(tài)氧、自由基以及電子空穴。這兩種染料靶標(biāo)是廢水中通常出現(xiàn)的染料驅(qū)動(dòng)流出物。流出物與固體廢物無法通過過濾去除，它會(huì)懸浮在水中，難以被分離和清除。

廢水是世界范圍內(nèi)的主要環(huán)境問題，其存在對(duì)人類、水生植物和動(dòng)物的健康具有長(zhǎng)期影響。全球家庭和工業(yè)每年產(chǎn)生近 4200 億立方米廢水。由于處理方面的挑戰(zhàn)，包括高能耗、殘留化學(xué)品的存在、處理中心的人員配備以及包括染料在內(nèi)的復(fù)雜和持久性污染物的處理不足，其中只有24% 得到了充分處理。

目前最常見的廢水處理方法有沉淀、生物氧化和化學(xué)物理處理等。由于染料的復(fù)雜分子結(jié)構(gòu)和水溶性，這些方法在去除染料方面效果不佳。因此，人們用粘土材料、活性炭、氧化鐵和天然材料（如咖啡渣）進(jìn)行吸附，可以將染料與水分離，但染料成分仍然存在，只是被固定在吸附材料上。

長(zhǎng)期以來，光催化劑被認(rèn)為是從水中去除染料的關(guān)鍵，但迄今為止尚未產(chǎn)生可持續(xù)的解決方案。根據(jù)巴蘇姆的說法，許多光催化劑通常需要紫外光處理，這需要消耗大量能量。而新型納米絲具有自敏化行為，對(duì)可見光更加敏感，可以大福減低對(duì)于能源的需求。

“使用可見光，如太陽或其他模擬光源，可以顯著降低與處理成本和能源消耗，同時(shí)仍然可以非常有效地從廢水中去除染料，消除有毒廢水。” 巴蘇姆研究小組的博士生亞當(dāng)·沃爾特說，這也為擴(kuò)展到太陽能電池或光學(xué)設(shè)備等其他領(lǐng)域提供了一個(gè)令人興奮的機(jī)會(huì)。

研究小組使用 X 射線衍射來表征描述納米材料中原子的排列。他們用掃描和透射電子顯微鏡進(jìn)一步表征描述納米材料。該顯微鏡在材料上發(fā)送電子束以形成圖像。該研究最重要的發(fā)現(xiàn)之一是強(qiáng)有力地表明納米絲被染料敏化，代表了添加劑和廢水的共生關(guān)系，從而產(chǎn)生了更清潔、毒性更小的水。

此外，這項(xiàng)研究證明了納米絲可以用來提高水處理能力，它也是材料可以敏化的第一個(gè)證據(jù)，為太陽能電池和光學(xué)器件中的其他應(yīng)用打開了大門。今年早些時(shí)候，該團(tuán)隊(duì)研究了相同的納米絲，發(fā)現(xiàn)可以利用陽光進(jìn)行氫分離，這可以釋放其在綠色燃料生產(chǎn)中的潛力。

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