Advanced Sustainable Systems : 利用储量丰富的Ca₂Fe₂O₅钙铁矿对水进行快速催化消毒

据统计,每年有200万人(大部分是儿童)死于腹泻疾病,这些疾病可能与恶劣的卫生条件有关。到2025年,世界上三分之二的人口可能面临水的短缺,导致对大量生态系统的重大影响。因此,水消毒是改善全球健康和生活质量的当务之急,我们迫切需要快速、廉价且节能的水消毒方法,以应对与能源和水匮乏有关的全球挑战。目前,加氯是使用最广泛的水消毒方法,因为它工艺简单且易于管理,但其消毒副产品(如三卤甲烷)存在潜在问题。此外,氯消毒最近被证明会加速细菌属中/之间的基因交换,可能导致水中抗生素耐药菌的风险增加,并对公共健康构成潜在风险。因此,我们需要一种广泛而廉价的方法来替代加氯消毒法,新的方法需要能有效地灭活微生物,并且对环境(包括人类、动物和野生动物)无害。水消毒的一个途径是利用高级氧化过程(AOPs),在水中产生高反应性的氧物种(ROS),包括羟基自由基、单线态氧和超氧化物。这些强氧化剂可以通过破坏细菌的基本大分子而导致其失活。利用AOP的抗菌剂通常被分为有机和无机两种。其中无机抗菌剂由于具有更高的稳定性和更好的安全性,比有机抗菌剂更有优势。

近日,拉脱维亚里加理工大学Peter C. SherrellAndris Šutka报道了利用钙铁矿(Ca2Fe2O5)作为自由基生成材料的高效水消毒方法,基于Ca2+离子的释放和羟基自由基的产生,水中细菌浓度在一分钟内下降了七个数量级。

在本工作中,作者首先进行了Ca2Fe2O5纳米颗粒水消毒性能的实验,测试了处理前后水中大肠杆菌/金黄色葡萄球菌的浓度,并研究了Ca2Fe2O5纳米颗粒浓度对杀菌效果的影响。结果显示,Ca2Fe2O5纳米颗粒相对于ZnO纳米颗粒具有更好的消毒性能,且在5 g/L浓度范围内,消毒性能随浓度增加。之后,作者采用电感耦合等离子体质谱、XRD、电子显微镜、x射线光电子能谱研究了钙铁矿(Ca2Fe2O5)的结构转化,并讨论了纳米颗粒结构转化与杀菌性能的关系。作者指出,钙铁矿对水的消毒作用来自于溶液中高活性的羟基自由基,且其杀菌性能远优于氯基水消毒系统,并具有安全、价廉和易于生产的优势。

论文信息:

Rapid Catalytic Water Disinfection from Earth Abundant Ca2Fe2O5 Brownmillerite

Mārtiņš Vanags, Linda Mežule, Arnita Spule, Juris Kostjukovs, Krišjānis Šmits, Aile Tamm, Talis Juhna, Svetlana Vihodceva, Tanel Käämbre, Larisa Baumane, Dzintars Začs, Grigory Vasiliev, Maris Turks, Inese Mierina, Peter C. Sherrell*, Andris Šutka*

Advanced Sustainable Systems

10.1002/adsu.202100130

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adsu.202100130

原创署名:潘奕辰