研究者は、何百万人もの人々の水質を浄化して改善する特定の触媒を特定します

インペリアル・カレッジ・ロンドンの研究者チーム ダイヤモンド光源を使用しており、 英国の国立シンクロトロン、新しい TiO₂/ Fe₂O₃ ナノ材料 光触媒による酸化と吸着を組み合わせることで、砒素で汚染された水をワンステップで処理できるという。

南アジアでは 50 万人以上が発がん性のヒ素で汚染された地下水にさらされています. チームの結果は最近、 表面と界面の結果. 同紙はまた、 Diamond の B18 ビームラインの汎用性により、彼らはサンプルに対して X 線吸収分光法を実行し、その結果を予測モデルと比較することができました。

研究者は、ヒ素除染用のこの材料の特許をすでに取得しており、この安価で効率的な技術が何百万人もの人々の水質を改善する可能性があるため、影響を受ける家庭で日常的に使用するために新しい材料がろ過カラムに組み込まれることを望んでいます.

出版物の筆頭著者、ジェイ・ブレン博士 言った： 「これらの実験により、ヒ素が TiO に結合するときに形成される表面錯体の構造を直接調べることができました。₂/ Fe₂O₃ ナノマテリアル。 純粋なチタニアと純粋な酸化鉄の参照物質を使用して、予測表面錯体形成モデルに選択した表面錯体が適切であると結論付けることができました。 ただし、三座の As-Fe もいくつか見られました。₂O₃ 以前のモデルには含まれていなかった EXAFS データの結合。 我々のモデルが予測していた低pHでのAs(III)の表面沈殿も確認できました。」

砒素は 有名な有毒元素 また、微量であっても長期間暴露すると、皮膚がん、肺がん、角化症、神経障害などの衰弱性および致命的な可能性のある病気につながる可能性があります. 世界中で 100 億から 200 億人が、汚染された地下水の飲料水を介してヒ素にさらされていると考えられています。 砒素を除去するための水の多段階処理は、ろ過 (吸着) を使用して既に存在しますが、このプロセスを効率的に行うには前処理 (酸化) が必要です。

Jay Bullen 博士は次のように続けています。₂/ Fe₂O₃ ナノマテリアル; ヒ素が純粋な TiO と同じように結合するかどうかを理解する₂ 純鉄₂O₃ ミネラル。 X 線吸収分光法 (XAS) はこれを行うのに最適な方法であり、EXAFS はヒ素原子の局所環境に関する情報を明らかにします。たとえば、ヒ素が TiO と形成する共有結合の数などです。₂/ Fe₂O₃ 水面。 私たちが受け取ったビームタイムの助成金により、Diamond Lightsource でこれらの実験を実現することができました。」

予測モデルを確認するための分光観測

ヒ素は、亜ヒ酸塩やヒ酸塩など、水中でいくつかの形で見つけることができます。 亜ヒ酸 (すなわち As(III)) イオンは、その中性電荷 (H₃そう₃）。 対照的に、ヒ酸 (すなわち As(V)) イオン (HAsO₄^2- 及び、H₂そう₄^–) (i) より容易に吸着され、(ii) H よりも毒性が低い₃そう₃. その結果、As(III) で汚染された水の処理は、As(III) を As(V) に酸化してから、吸着によって除去することから恩恵を受けます。 As(III) の酸化は、TiO などの異種光触媒を使用して達成できます₂、および紫外線 (UV) 放射。 ただし、酸化鉄 (Fe) などの他の材料₂O₃) 吸着効率が高くなります。 そのため、現在は多段階処理プラントが使用されていますが、 設計と保守は困難です。

この問題は、光触媒と吸着機能を単一の材料に組み込むことで克服できます。 同じグループによる以前の研究では、TiO の優れた光触媒能力を組み合わせた複合材料が₂ 酸化鉄 (Fe) の高い As(V) 吸着容量₂O₃) は、効率的な除染の有力な候補でした。  その後、著者らは、pH などの実験変数の関数として吸着されるヒ素の量とそのスペシエーションの変化を予測するために、表面錯形成モデル (SCM) を開発しました。 しかし、著者らは、モデルに選択された吸着ヒ素表面錯体の構造が現実的であることを確認したかったため、分光技術を使用しました。 X 線吸収分光法は、その元素選択性、As の酸化状態 (XANES) を識別し、同定する能力のおかげで、重要な役割を果たしました。 TiO に吸着した As 錯体の構造₂/ Fe₂O₃ 表面 (EXAFS)。

モデルからアプリケーションへ

チームは実験を実現するために B18 を使用しました。 ビームラインでは、固体サンプルの EXAFS スペクトルを記録することができました。 ヒ素が材料の表面と形成する共有結合の数を決定するため、 およびXANESスペクトル 水性懸濁液 光酸化速度を測定します。

関連資料:

ブレンJC、 ら. へのヒ素吸着の分光 (XAS、FTIR) 調査
TiO2/Fe2O3 複合材料: モデリングによって予測された表面複合体、スペシエーション、および沈殿の評価。 土井： https://doi.org/10.1016/j.rsurfi.2022.100084

著者らは、Diamond Lightsource (EXAFS) で得られた分光データを、インペリアル カレッジ ロンドンでの FTIR およびゼータ電位測定値と組み合わせて、ヒ素が TiO に吸着されるときに形成される主要な表面錯体の図を作成しました。₂/ Fe₂O₃ 複合ナノ材料。 これは、環境条件の関数として吸着の変化を予測できる理論モデルである著者の以前の表面錯形成モデル (SCM) によって予測された吸着ヒ素のスペシエーションを評価および検証するために使用されました。 このモデルは、純粋なチタニアと純粋な酸化鉄のデータに基づいて選択された表面複合体を使用して開発されており、複合 TiO 上のヒ素スペシエーションの実験的証拠があります。₂/ Fe₂O₃ ダイヤモンド ライトソース スタディの前には利用できません。
矢印は、pH が 5 から 9 に増加する場所を示します。星印 (*) と短剣 † は、それぞれ EXAFS と FTIR/ゼータ電位分析によって得られた証拠を示します。

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• 情報源： https://envirotecmagazine.com/2022/11/28/new-approach-offers-single-step-treatment-for-arsenic-decontamination/