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深圳大學：一種全新降解機制！非晶合金，讓飲用水更清潔！

2021-04-30 14:27:13 作者：材料科學與工程來源：材料科學與工程分享至：

編輯推薦：氯化消毒被廣泛應用于飲用水處理工藝中，但是會產(chǎn)生對人體健康有直接危害的消毒副產(chǎn)物。非晶合金是一種原子無序排列的新型金屬材料，由于其獨特的結構特征，在力學、物理、化學等方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。本研究將鐵基非晶合金條帶引入飲用水消毒副產(chǎn)物的處理中，實現(xiàn)了一種全新的非晶合金催化降解機制，具有高降解效率和優(yōu)異的循環(huán)性能。

水，孕育了生命，是人類賴以生存的最重要的物質(zhì)資源。長期以來，作為全世界最大的公共衛(wèi)生焦點，飲用水的安全關乎人類的健康與發(fā)展。19世紀初期，各國陸續(xù)開始使用氯對飲用水進行消毒，它能有效殺滅水中的病原微生物，大大降低了人們感染傷寒、霍亂等水傳播疾病的概率。氯化消毒由于其價格低廉、廣譜殺菌、持續(xù)消毒、易貯存和運輸?shù)葍?yōu)點，被廣泛應用于飲用水處理工藝中，目前仍是世界上使用最多、最廣泛的飲用水消毒方式，也是我國多年來在給水處理中一直沿用的主要消毒方式之一。

然而20世紀70年代以來，人們逐漸發(fā)現(xiàn)氯作為消毒劑在殺死致病菌的同時，會與水中有機物，如藻類、腐殖酸、細菌等發(fā)生取代、加成和氧化等一系列化學反應，產(chǎn)生對人體健康有直接危害的物質(zhì)—消毒副產(chǎn)物（disinfectionby-products, DBPs），如三鹵甲烷、鹵乙酸等。大量流行病學研究調(diào)查結果表明，長期飲用含有DBPs的水會增加女性不良妊娠、男性患膀胱癌等生殖系統(tǒng)疾病的風險。因此，如何有效降解飲用水中的DPBs成為材料、環(huán)境、化工和機械裝備等領域的研究熱點。

高級氧化（Advancedoxidation processes, AOP）技術是近年來發(fā)展起來的DPBs降解處理的全新技術，它具有氧化能力強、反應速度快、處理效率高的優(yōu)點，然而，對反應條件要求高如芬頓試劑要求在pH 3.5以下進行，催化劑回收困難等問題也成為了制約其大規(guī)模應用的缺點。開發(fā)高效、高穩(wěn)定性的催化劑是當前AOP技術發(fā)展與應用的關鍵。雖然各種納米催化劑（如納米零價鐵、Fe2O3）相繼被開發(fā)測試，但是這些納米顆粒狀催化劑的循環(huán)使用次數(shù)極其有限（通常小于10次），分離困難，也限制了其實際應用。非晶合金是一種原子無序排列的新型金屬材料，由于其獨特的結構特征，在力學、物理、化學等方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。

最近，深圳大學的科研人員將鐵基非晶合金條帶引入飲用水消毒副產(chǎn)物的處理中，在中性條件（pH =7.0）下結合類芬頓反應實現(xiàn)了飲用水中芳香族鹵代DBP: 3,5-二氯水楊酸的高效降解，其降解效率要顯著優(yōu)于對應晶態(tài)材料和零價鐵（圖1）。該研究成果以“Insight into efficient degradation of 3,5-dichlorosalicylic acid by Fe-Si-B amorphous ribbon under neutral condition”為題在線發(fā)表于環(huán)境催化領域知名學術期刊Applied Catalysis B: Environmental。第一作者為碩士研究生張利博，通訊作者為張振軒副研究員，馬將研究員。

論文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0926337321003842

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圖1. Fe-Si-B非晶條帶、Fe-Si-B晶化條帶、零價鐵催化降解飲用水消毒副產(chǎn)物3,5-二氯水楊酸

3,5-二氯水楊酸經(jīng)過降解后，運用中國倉鼠卵巢（CHO）細胞對降解前后的水樣綜合毒性進行了評價，結果表明飲用水樣品細胞毒性相比于未降解前降低了約88.1%（以CHO細胞的LC50值來衡量）（圖2）。

圖2. Fe-Si-B非晶條帶催化降解3,5-二氯水楊酸前后的水樣細胞綜合毒性

與此同時，F(xiàn)e-Si-B非晶合金催化劑還表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，在循環(huán)使用10次后，其降解效率基本保持不變并略有升高（圖3）。機理研究的結果表明：在中性條件下，F(xiàn)e-Si-B非晶合金表面的Fe2+可以與H2O2反應生成活性物質(zhì)（圖4）。經(jīng)鑒定該活性物質(zhì)是高價鐵Fe（IV），而非傳統(tǒng)認為類芬頓反應產(chǎn)生的羥基自由基，這是一種全新的非晶合金催化降解機制。

圖3.Fe-Si-B非晶條帶催化降解3,5-二氯水楊酸的循環(huán)性能圖

圖4.Fe-Si-B非晶條帶與H2O2反應產(chǎn)生活性物質(zhì)的順磁共振波普圖

相比于羥基自由基，F(xiàn)e（IV）是一種更具選擇性的氧化劑，可以高效降解飲用水中的芳香族DBP 3,5-二氯水楊酸。Fe-Si-B非晶合金因其表面原子具有更高的活性，相比于其對應晶態(tài)合金，其獨特的非晶態(tài)結構更易于吸附H2O2，使得其中的Fe2+更容易被氧化，表現(xiàn)出更低的激活能，從而實現(xiàn)高降解效率和優(yōu)異的循環(huán)性能（圖5）。