새로운 수처리 기술에 빛을 비추다 (레이저) 날짜:2022년 12월 9일 원천:로드아일랜드대학교 요약:증가하는 전 세계 인구가 깨끗한 물에 접근할 수 있도록 하려면 새로운 수처리 방법이 필요합니다. 이러한 차세대 방법 중 하나는 염소와 같은 화학 물질보다 독성 부산물을 적게 생성하고 복잡한 오존 처리 시스템보다 잠재적으로 저렴하고 배치하기 쉬운 페레이트라고 불리는 철의 형태를 포함합니다. 그러나 철산염이 가장 잘 작동하려면 다른 화합물과 결합하거나 빛 에너지에 의해 여기되어야 합니다. 이제 초고속 레이저와 X선 펄스를 포함하는 기술을 사용하여 연구팀은 철산염이 가시광선과 자외선에 노출될 때 발생하는 화학 반응에 대한 새로운 세부 사항을 밝혀냈습니다.
증가하는 전 세계 인구가 깨끗한 물에 접근할 수 있도록 하려면 새로운 수처리 방법이 필요합니다. 이러한 차세대 방법 중 하나는 염소와 같은 화학 물질보다 독성 부산물을 적게 생성하고 복잡한 오존 처리 시스템보다 잠재적으로 저렴하고 배치하기 쉬운 페레이트라고 불리는 철의 형태를 포함합니다.
그러나 철산염이 가장 잘 작동하려면 다른 화합물과 결합하거나 빛 에너지에 의해 여기되어야 합니다. 이제 로드아일랜드 대학 연구팀은 초고속 레이저와 X선 펄스를 포함하는 기술을 사용하여 철산염이 가시광선과 자외선에 노출될 때 발생하는 화학 반응에 대한 새로운 세부 정보를 공개했습니다. Journal of the American Chemical Society 에 발표된 연구 결과는 연구원들이 수처리 응용 분야에서 사용을 최적화하는 데 도움이 될 수 있습니다.
URI의 화학과 조교수이자 이 연구의 교신 저자인 Dugan Hayes는 "철산염의 가벼운 활성화는 실제로 자세히 조사된 적이 없습니다."라고 말했습니다. "이 연구에서 우리는 처음으로 그러한 광물리적 특성 중 일부를 밝힐 수 있었습니다."
철산염은 산화제이므로 전자를 훔쳐 오염 물질을 분해할 수 있습니다. 그 자체로 철산염은 상당히 강한 산화제입니다. 그러나 빛에 의해 여기되면 Fe(V)(또는 철-5+)로 알려진 훨씬 더 강력한 산화제를 생성합니다. 그러나 이 새로운 연구 이전에는 Fe(V)를 생산하는 데 얼마나 많은 에너지가 필요한지, 얼마나 많은 양으로 생산할 수 있는지 알려지지 않았습니다.
그런 것들을 알아보기 위해 Ph.D. Hayes 연구실의 학생은 초고속 레이저 펄스를 사용하여 광화학 반응을 조사하는 기술인 과도 흡수 분광법을 사용하여 실험을 주도했습니다. 초기 펄스는 반응을 시작하고 후속 펄스는 반응 단계가 진행되는 동안 조사합니다. 약 1000조분의 1초 정도의 펄스 속도는 연구원들에게 수명이 가장 짧은 반응 생성물에 대한 자세한 기록을 제공합니다.
Antolini는 URI의 시설을 사용하여 자외선 및 가시 광선 펄스를 사용하여 실험을 수행했습니다. 그녀는 Antolini가 에너지부 학생 연구 프로그램의 일환으로 일하고 있는 시카고에 있는 Argonne National Laboratory의 Advanced Photon Source에서 X선을 사용하여 유사한 실험을 수행했습니다.
이 작업은 철산염에서 반응성이 높은 Fe(V)로의 전환율이 약 15%임을 보여주었습니다. 그것은 오존 정화 시스템의 급진적인 생산과 거의 비슷합니다. 이 연구는 또한 반응성이 더 높은 철 종을 생산하는 데 필요한 빛의 유형과 관련된 놀라운 결과를 낳았습니다. 연구팀은 자외선 스펙트럼에서 거의 가시광선 스펙트럼에 이르는 다양한 빛 파장이 Fe(V)를 생성할 수 있어야 한다는 것을 발견했습니다. 그것은 두 가지 이유로 중요한 발견이라고 연구원들은 말합니다. 가시 광선은 자외선을 생성하는 데 더 적은 에너지를 사용하므로 이전에 가정했던 것보다 더 에너지 효율적으로 철산염 여기를 만들 수 있습니다. 또한 흐린 물에서는 가시광선이 덜 산란하므로 Fe(V)는 다양한 물 조건에서 생성될 수 있습니다.
결과는 URI의 토목 및 환경 공학 조교수이자 연구 공동 저자인 Joseph Goodwill에게 고무적입니다. 그의 연구 프로그램의 일부는 더 큰 도시 수처리 시스템과 소규모 농촌 시스템 사이의 "깨끗한 물 격차"를 연결하는 방법을 찾는 것입니다.
페레이트 기반 정화 시스템은 값비싸고 정교한 오존 시스템이 실용적이지 않은 소규모 시스템을 위한 유망한 옵션이라고 Goodwill은 말합니다. 철산염은 또한 염소와 같은 가혹한 화학 물질에 대한 의존도를 낮출 가능성이 있으며, 염소로도 제거할 수 없는 완고한 오염 물질을 제거할 수도 있습니다. 여기에는 미국 전역의 우물과 수계에서 점점 더 많이 발견되는 화학 물질 종류인 PFAS(per-/polyfluoroalkyl substance)가 포함됩니다. 그러나 철산염 시스템이 널리 보급되기 전에 과학자들은 철산염 화학에 대한 더 나은 이해가 필요합니다.
"철산염으로부터의 강력한 산화제의 형성은 기계적으로 이해하기 어려웠으며, 이는 수처리 응용 분야에서 프로세스 최적화 및 본격적인 구현을 차단했습니다."라고 Goodwill은 말했습니다. "이 논문에 제시된 결과는 애플리케이션의 문을 여는 페레이트 시스템에 대한 근본적인 이해를 향상시킵니다."
연구원들은 철산염 광화학이 어떻게 작용하는지에 대한 이러한 새로운 발견이 철 기반 수처리의 사용을 확대하는 데 도움이 될 것으로 기대하고 있습니다.