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催化劑將硝酸鹽轉化為水和空氣

來源:網絡 | 作者:chemical-1031735 | 發布時間: 1809天前 | 3794 次瀏覽 | 分享到:

“硝酸鹽主要來自農業徑流，這影響到世界各地的農業群落?！痹撗芯康氖紫茖W家、水稻化學工程師Michael Wong說，“硝酸鹽既是環境問題，也是健康問題，因為它們是有毒的。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。當這種情況發生時，沖洗過的水就會將集中的硝酸鹽返回到水供應系統中?！?

    Rice University's Nanotechnology Enabled Water Treatment (NEWT) Center的工程師們發現了一種催化劑，它通過將飲用水轉化為空氣和水來凈化飲用水中的有毒硝酸鹽。
    這項研究已經在美國化學學會期刊《ACS Catalysis》上發表。
    “硝酸鹽主要來自農業徑流，這影響到世界各地的農業群落?！痹撗芯康氖紫茖W家、水稻化學工程師Michael Wong說，“硝酸鹽既是環境問題，也是健康問題，因為它們是有毒的。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。當這種情況發生時，沖洗過的水就會將集中的硝酸鹽返回到水供應系統中?！?/span>
    Wong的實驗室專門研發納米級的催化劑，一種可以加速化學反應的亞微觀金屬。2013年，他的研究小組發現，點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同族。
“硝酸鹽是由一個氮原子和三個氧原子組成的分子?！盬ong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?！?/span>
     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氣和氧氣，或者我們的例子中的氮和水，因為我們加入了少量的氫?！薄暗厍蛏?5%以上的大氣都是氣態氮，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。硝酸鹽污染在農業群落中很常見，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境保護局規定的，它規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，這通常意味著用離子交換樹脂對飲用水進行預處理，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，對已發表的科學文獻的搜索又發現了另一種可能性：銦和鈀。
   “我們能夠優化這個過程，因為我們發現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，“它比我們在之前發表的研究中發現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背后的化學反應?！?/span>
    在Purdue University的化學工程同事Jeffrey Miller和University of Houston的Lars Grabow的合作下，研究小組發現，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，“從我們的現場研究中，我們發現將催化劑暴露在含有硝酸鹽的溶液中會使銦氧化。但是當我們加入飽和氫的水時，鈀就會促使其中的一些氧與氫結合形成水，這導致銦保持在還原狀態，在這種狀態下，它可以自由地分解更多的硝酸鹽?！?/span>
     Wong說，他的團隊將與工業合作伙伴以及其他研究人員合作，將這一過程轉化為一種商業上可行的水處理系統。
   “這就是NEWT來的地方?！彼f?！癗EWT是關于獲取基礎科學發現并將它們部署到現實世界的環境中。這將是NEWT中的一個例子，我們已經了解了其中的化學原理，下一步是創建一個流系統，以證明該技術可以應用于現場的概念?！?/span>
    美國國家科學基金會(National Science Foundation)于2015年建立的了一個基于Rice的多機構工程研究中心，該中心致力于開發一種緊湊、可移動、離網的水處理系統，為數百萬人提供清潔的水，使美國的能源生產更加可持續和具有成本效益。預計到2025年，NEWT將在聯邦和工業方面提供4000多萬美元的資金支持，主要用于慈善應急、農村供水系統和遠程設施發污水處理和循環利用，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，以及休斯敦大學的Sashank Kasiraju。這項研究由美國國家科學基金會、能源部和中國留學基金委資助。

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