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催化劑將硝酸鹽轉(zhuǎn)化為水和空氣
來源:網(wǎng)絡(luò)
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作者:chemical-1031735
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發(fā)布時間: 2652天前
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“硝酸鹽主要來自農(nóng)業(yè)徑流，這影響到世界各地的農(nóng)業(yè)群落?！痹撗芯康氖紫茖W(xué)家、水稻化學(xué)工程師Michael Wong說，“硝酸鹽既是環(huán)境問題，也是健康問題，因?yàn)樗鼈兪怯卸镜?。有一些離子交換過濾器可以將它們從水中移除，但這些過濾器每隔幾個月就需要沖洗一次。當(dāng)這種情況發(fā)生時，沖洗過的水就會將集中的硝酸鹽返回到水供應(yīng)系統(tǒng)中。”
Rice University's Nanotechnology Enabled Water Treatment (NEWT) Center的工程師們發(fā)現(xiàn)了一種催化劑，它通過將飲用水轉(zhuǎn)化為空氣和水來凈化飲用水中的有毒硝酸鹽。
這項研究已經(jīng)在美國化學(xué)學(xué)會期刊《ACS Catalysis》上發(fā)表。
“硝酸鹽主要來自農(nóng)業(yè)徑流，這影響到世界各地的農(nóng)業(yè)群落。”該研究的首席科學(xué)家、水稻化學(xué)工程師Michael Wong說，“硝酸鹽既是環(huán)境問題，也是健康問題，因?yàn)樗鼈兪怯卸镜摹Ｓ幸恍╇x子交換過濾器可以將它們從水中移除，但這些過濾器每隔幾個月就需要沖洗一次。當(dāng)這種情況發(fā)生時，沖洗過的水就會將集中的硝酸鹽返回到水供應(yīng)系統(tǒng)中。”
Wong的實(shí)驗(yàn)室專門研發(fā)納米級的催化劑，一種可以加速化學(xué)反應(yīng)的亞微觀金屬。2013年，他的研究小組發(fā)現(xiàn)，點(diǎn)綴著少量鈀的微小金球可以分解亞硝酸鹽，而亞硝酸鹽是硝酸鹽中毒性較大的化學(xué)同族。
“硝酸鹽是由一個氮原子和三個氧原子組成的分子。”Wong王解釋說?！跋跛猁}如果失去了氧氣，就會變成亞硝酸鹽，但亞硝酸鹽的毒性比硝酸鹽更大，所以你不會想要停止亞硝酸鹽的使用。而且，硝酸鹽是更普遍的問題。”
他說:“最終，去除硝酸鹽的最好方法是催化過程，把它們完全分解成氮?dú)夂脱鯕?，或者我們的例子中的氮和水，因?yàn)槲覀兗尤肓松倭康臍洹！薄暗厍蛏?5%以上的大氣都是氣態(tài)氮，所以我們真的把硝酸鹽變成了空氣和水?！?/span>
硝酸鹽對嬰兒和孕婦是有毒的，也可能致癌。硝酸鹽污染在農(nóng)業(yè)群落中很常見，尤其是在美國的玉米帶和加州的中央谷地，那里的肥料被大量使用。一些研究表明，由于土地使用模式的改變，硝酸鹽污染正在上升。
硝酸鹽和亞硝酸鹽都是由環(huán)境保護(hù)局規(guī)定的，它規(guī)定了安全飲用水的允許限度。在有污染的水井和湖泊的社區(qū)，這通常意味著用離子交換樹脂對飲用水進(jìn)行預(yù)處理，這種樹脂可以捕捉和去除硝酸鹽和亞硝酸鹽，而不會破壞它們。
在他們之前的研究中，Wong的團(tuán)隊知道金鈀納米粒子并不是最好分解硝酸鹽的催化劑。Kim Heck說，對已發(fā)表的科學(xué)文獻(xiàn)的搜索又發(fā)現(xiàn)了另一種可能性：銦和鈀。
“我們能夠優(yōu)化這個過程，因?yàn)槲覀儼l(fā)現(xiàn)用銦覆蓋鈀球表面的大約40%，給了我們最活躍的催化劑，”Heck說，“它比我們在之前發(fā)表的研究中發(fā)現(xiàn)的任何方法都要高效50%。我們本可以就此打住，但我們真的很想了解為什么它更好，因此我們必須探索這種反應(yīng)背后的化學(xué)反應(yīng)?！?/span>
在Purdue University的化學(xué)工程同事Jeffrey Miller和University of Houston的Lars Grabow的合作下，研究小組發(fā)現(xiàn)，銦加速了硝酸鹽的分解，而鈀則明顯阻止銦不被永久氧化。
“銦喜歡被氧化?！焙湛苏f，“從我們的現(xiàn)場研究中，我們發(fā)現(xiàn)將催化劑暴露在含有硝酸鹽的溶液中會使銦氧化。但是當(dāng)我們加入飽和氫的水時，鈀就會促使其中的一些氧與氫結(jié)合形成水，這導(dǎo)致銦保持在還原狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，它可以自由地分解更多的硝酸鹽。”
Wong說，他的團(tuán)隊將與工業(yè)合作伙伴以及其他研究人員合作，將這一過程轉(zhuǎn)化為一種商業(yè)上可行的水處理系統(tǒng)。
“這就是NEWT來的地方?！彼f?！癗EWT是關(guān)于獲取基礎(chǔ)科學(xué)發(fā)現(xiàn)并將它們部署到現(xiàn)實(shí)世界的環(huán)境中。這將是NEWT中的一個例子，我們已經(jīng)了解了其中的化學(xué)原理，下一步是創(chuàng)建一個流系統(tǒng)，以證明該技術(shù)可以應(yīng)用于現(xiàn)場的概念?！?/span>
美國國家科學(xué)基金會(National Science Foundation)于2015年建立的了一個基于Rice的多機(jī)構(gòu)工程研究中心，該中心致力于開發(fā)一種緊湊、可移動、離網(wǎng)的水處理系統(tǒng)，為數(shù)百萬人提供清潔的水，使美國的能源生產(chǎn)更加可持續(xù)和具有成本效益。預(yù)計到2025年，NEWT將在聯(lián)邦和工業(yè)方面提供4000多萬美元的資金支持，主要用于慈善應(yīng)急、農(nóng)村供水系統(tǒng)和遠(yuǎn)程設(shè)施發(fā)污水處理和循環(huán)利用，包括陸上和海上石油和天然氣勘探鉆井平臺。
共同研究的其他作者包括:Sujin Guo、 Huifeng Qian 、Zhun Zhao，以及休斯敦大學(xué)的Sashank Kasiraju。這項研究由美國國家科學(xué)基金會、能源部和中國留學(xué)基金委資助。
這項研究已經(jīng)在美國化學(xué)學(xué)會期刊《ACS Catalysis》上發(fā)表。
“硝酸鹽主要來自農(nóng)業(yè)徑流，這影響到世界各地的農(nóng)業(yè)群落。”該研究的首席科學(xué)家、水稻化學(xué)工程師Michael Wong說，“硝酸鹽既是環(huán)境問題，也是健康問題，因?yàn)樗鼈兪怯卸镜摹Ｓ幸恍╇x子交換過濾器可以將它們從水中移除，但這些過濾器每隔幾個月就需要沖洗一次。當(dāng)這種情況發(fā)生時，沖洗過的水就會將集中的硝酸鹽返回到水供應(yīng)系統(tǒng)中。”
Wong的實(shí)驗(yàn)室專門研發(fā)納米級的催化劑，一種可以加速化學(xué)反應(yīng)的亞微觀金屬。2013年，他的研究小組發(fā)現(xiàn)，點(diǎn)綴著少量鈀的微小金球可以分解亞硝酸鹽，而亞硝酸鹽是硝酸鹽中毒性較大的化學(xué)同族。
“硝酸鹽是由一個氮原子和三個氧原子組成的分子。”Wong王解釋說?！跋跛猁}如果失去了氧氣，就會變成亞硝酸鹽，但亞硝酸鹽的毒性比硝酸鹽更大，所以你不會想要停止亞硝酸鹽的使用。而且，硝酸鹽是更普遍的問題。”
他說:“最終，去除硝酸鹽的最好方法是催化過程，把它們完全分解成氮?dú)夂脱鯕?，或者我們的例子中的氮和水，因?yàn)槲覀兗尤肓松倭康臍洹！薄暗厍蛏?5%以上的大氣都是氣態(tài)氮，所以我們真的把硝酸鹽變成了空氣和水?！?/span>
硝酸鹽對嬰兒和孕婦是有毒的，也可能致癌。硝酸鹽污染在農(nóng)業(yè)群落中很常見，尤其是在美國的玉米帶和加州的中央谷地，那里的肥料被大量使用。一些研究表明，由于土地使用模式的改變，硝酸鹽污染正在上升。
硝酸鹽和亞硝酸鹽都是由環(huán)境保護(hù)局規(guī)定的，它規(guī)定了安全飲用水的允許限度。在有污染的水井和湖泊的社區(qū)，這通常意味著用離子交換樹脂對飲用水進(jìn)行預(yù)處理，這種樹脂可以捕捉和去除硝酸鹽和亞硝酸鹽，而不會破壞它們。
在他們之前的研究中，Wong的團(tuán)隊知道金鈀納米粒子并不是最好分解硝酸鹽的催化劑。Kim Heck說，對已發(fā)表的科學(xué)文獻(xiàn)的搜索又發(fā)現(xiàn)了另一種可能性：銦和鈀。
“我們能夠優(yōu)化這個過程，因?yàn)槲覀儼l(fā)現(xiàn)用銦覆蓋鈀球表面的大約40%，給了我們最活躍的催化劑，”Heck說，“它比我們在之前發(fā)表的研究中發(fā)現(xiàn)的任何方法都要高效50%。我們本可以就此打住，但我們真的很想了解為什么它更好，因此我們必須探索這種反應(yīng)背后的化學(xué)反應(yīng)?！?/span>
在Purdue University的化學(xué)工程同事Jeffrey Miller和University of Houston的Lars Grabow的合作下，研究小組發(fā)現(xiàn)，銦加速了硝酸鹽的分解，而鈀則明顯阻止銦不被永久氧化。
“銦喜歡被氧化?！焙湛苏f，“從我們的現(xiàn)場研究中，我們發(fā)現(xiàn)將催化劑暴露在含有硝酸鹽的溶液中會使銦氧化。但是當(dāng)我們加入飽和氫的水時，鈀就會促使其中的一些氧與氫結(jié)合形成水，這導(dǎo)致銦保持在還原狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，它可以自由地分解更多的硝酸鹽。”
Wong說，他的團(tuán)隊將與工業(yè)合作伙伴以及其他研究人員合作，將這一過程轉(zhuǎn)化為一種商業(yè)上可行的水處理系統(tǒng)。
“這就是NEWT來的地方?！彼f?！癗EWT是關(guān)于獲取基礎(chǔ)科學(xué)發(fā)現(xiàn)并將它們部署到現(xiàn)實(shí)世界的環(huán)境中。這將是NEWT中的一個例子，我們已經(jīng)了解了其中的化學(xué)原理，下一步是創(chuàng)建一個流系統(tǒng)，以證明該技術(shù)可以應(yīng)用于現(xiàn)場的概念?！?/span>
美國國家科學(xué)基金會(National Science Foundation)于2015年建立的了一個基于Rice的多機(jī)構(gòu)工程研究中心，該中心致力于開發(fā)一種緊湊、可移動、離網(wǎng)的水處理系統(tǒng)，為數(shù)百萬人提供清潔的水，使美國的能源生產(chǎn)更加可持續(xù)和具有成本效益。預(yù)計到2025年，NEWT將在聯(lián)邦和工業(yè)方面提供4000多萬美元的資金支持，主要用于慈善應(yīng)急、農(nóng)村供水系統(tǒng)和遠(yuǎn)程設(shè)施發(fā)污水處理和循環(huán)利用，包括陸上和海上石油和天然氣勘探鉆井平臺。
共同研究的其他作者包括:Sujin Guo、 Huifeng Qian 、Zhun Zhao，以及休斯敦大學(xué)的Sashank Kasiraju。這項研究由美國國家科學(xué)基金會、能源部和中國留學(xué)基金委資助。
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