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催化剂将硝酸盐转化为水和空气

来源:盖德化工网时间:2018-01-23 13:55:52

聚贸资讯:e University's Nanotechnology Enabled Water Treatment (NEWT) Center的工程师们发现了一种催化剂,它通过将饮用水转化为空气和水来净化饮用水中的有毒硝酸盐。


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这项研究已经在美国化学学会期刊《ACS Catalysis》上发表。


“硝酸盐主要来自农业径流,这影响到世界各地的农业群落。”该研究的首席科学家、水稻化学工程师Michael Wong说,“硝酸盐既是环境问题,也是健康问题,因为它们是有毒的。有一些离子交换过滤器可以将它们从水中移除,但这些过滤器每隔几个月就需要冲洗一次。当这种情况发生时,冲洗过的水就会将集中的硝酸盐返回到水供应系统中。”


Wong的实验室专门研发纳米级的催化剂,一种可以加速化学反应的亚微观金属。2013年,他的研究小组发现,点缀着少量钯的微小金球可以分解亚硝酸盐,而亚硝酸盐是硝酸盐中毒性较大的化学同族。


“硝酸盐是由一个氮原子和三个氧原子组成的分子。”Wong王解释说。“硝酸盐如果失去了氧气,就会变成亚硝酸盐,但亚硝酸盐的毒性比硝酸盐更大,所以你不会想要停止亚硝酸盐的使用。而且,硝酸盐是更普遍的问题。”


他说:“最终,去除硝酸盐的最好方法是催化过程,把它们完全分解成氮气和氧气,或者我们的例子中的氮和水,因为我们加入了少量的氢。”“地球上75%以上的大气都是气态氮,所以我们真的把硝酸盐变成了空气和水。”


硝酸盐对婴儿和孕妇是有毒的,也可能致癌。硝酸盐污染在农业群落中很常见,尤其是在美国的玉米带和加州的中央谷地,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变,硝酸盐污染正在上升。


硝酸盐和亚硝酸盐都是由环境保护局规定的,它规定了安全饮用水的允许限度。在有污染的水井和湖泊的社区,这通常意味着用离子交换树脂对饮用水进行预处理,这种树脂可以捕捉和去除硝酸盐和亚硝酸盐,而不会破坏它们。


在他们之前的研究中,Wong的团队知道金钯纳米粒子并不是最好分解硝酸盐的催化剂。Kim Heck说,对已发表的科学文献的搜索又发现了另一种可能性:铟和钯。


“我们能够优化这个过程,因为我们发现用铟覆盖钯球表面的大约40%,给了我们最活跃的催化剂,”Heck说,“它比我们在之前发表的研究中发现的任何方法都要高效50%。我们本可以就此打住,但我们真的很想了解为什么它更好,因此我们必须探索这种反应背后的化学反应。”


在Purdue University的化学工程同事Jeffrey Miller和University of Houston的Lars Grabow的合作下,研究小组发现,铟加速了硝酸盐的分解,而钯则明显阻止铟不被永久氧化。


“铟喜欢被氧化。”赫克说,“从我们的现场研究中,我们发现将催化剂暴露在含有硝酸盐的溶液中会使铟氧化。但是当我们加入饱和氢的水时,钯就会促使其中的一些氧与氢结合形成水,这导致铟保持在还原状态,在这种状态下,它可以自由地分解更多的硝酸盐。”


Wong说,他的团队将与工业合作伙伴以及其他研究人员合作,将这一过程转化为一种商业上可行的水处理系统。


“这就是NEWT来的地方。”他说。“NEWT是关于获取基础科学发现并将它们部署到现实世界的环境中。这将是NEWT中的一个例子,我们已经了解了其中的化学原理,下一步是创建一个流系统,以证明该技术可以应用于现场的概念。”


美国国家科学基金会(National Science Foundation)于2015年建立的了一个基于Rice的多机构工程研究中心,该中心致力于开发一种紧凑、可移动、离网的水处理系统,为数百万人提供清洁的水,使美国的能源生产更加可持续和具有成本效益。预计到2025年,NEWT将在联邦和工业方面提供4000多万美元的资金支持,主要用于慈善应急、农村供水系统和远程设施发污水处理和循环利用,包括陆上和海上石油和天然气勘探钻井平台。


共同研究的其他作者包括:Sujin Guo、 Huifeng Qian 、Zhun Zhao,以及休斯敦大学的Sashank Kasiraju。这项研究由美国国家科学基金会、能源部和中国留学基金委资助。

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