Um sicherzustellen, dass eine wachsende Weltbevölkerung Zugang zu sauberem Wasser hat, sind neue Wasseraufbereitungsmethoden erforderlich. Eine dieser Methoden der nächsten Generation beinhaltet eine Form von Eisen namens Ferrat, das weniger toxische Nebenprodukte erzeugt als Chemikalien wie Chlor und möglicherweise billiger und einfacher einzusetzen ist als komplexe Ozonbehandlungssysteme.
Damit Ferrat jedoch am besten funktioniert, muss es mit anderen Verbindungen kombiniert oder durch Lichtenergie angeregt werden. Jetzt hat ein Team von Forschern der University of Rhode Island mithilfe einer Technik, die ultraschnelle Laser- und Röntgenpulse verwendet, neue Details über die chemische Reaktion enthüllt, die auftritt, wenn Ferrat sichtbarem und ultraviolettem Licht ausgesetzt wird. Die Ergebnisse, veröffentlicht in der Zeitschrift der American Chemical Societykönnte Forschern helfen, seinen Einsatz in Wasseraufbereitungsanwendungen zu optimieren.
„Die Lichtaktivierung von Ferrat wurde wirklich noch nie im Detail untersucht“, sagte Dugan Hayes, Assistenzprofessor für Chemie am URI und korrespondierender Autor der Studie. „In dieser Studie konnten wir zum ersten Mal einige dieser photophysikalischen Eigenschaften aufdecken.“
Ferrat ist ein Oxidationsmittel, was bedeutet, dass es Schadstoffe abbauen kann, indem es ihre Elektronen stiehlt. Ferrat an sich ist ein ziemlich starkes Oxidationsmittel. Aber wenn es durch Licht angeregt wird, produziert es ein noch stärkeres Oxidationsmittel, das als Fe(V) (oder Eisen-5+) bekannt ist. Vor dieser neuen Studie war jedoch nicht bekannt, wie viel Energie zur Herstellung von Fe(V) benötigt wird und in welchen Mengen es hergestellt werden kann.
Um diese Dinge herauszufinden, hat Cali Antolini, ein Ph.D. Student im Labor von Hayes, leitete Experimente mit transienter Absorptionsspektroskopie, einer Technik, die photochemische Reaktionen mit ultraschnellen Laserpulsen untersucht. Ein anfänglicher Impuls löst eine Reaktion aus, während nachfolgende Impulse die Reaktionsschritte sondieren, während sie sich abspielen. Die Geschwindigkeit der Pulse – in der Größenordnung von einigen Billiardstel Sekunden – gibt den Forschern eine detaillierte Aufzeichnung selbst der kurzlebigen Reaktionsprodukte.
Antolini führte Experimente mit ultravioletten und sichtbaren Lichtimpulsen mit Einrichtungen am URI durch. Sie führte ähnliche Experimente mit Röntgenstrahlen an der Advanced Photon Source des Argonne National Laboratory in Chicago durch, wo Antolini im Rahmen eines Studentenforschungsprogramms des Energieministeriums arbeitet.
Die Arbeit zeigte, dass die Umwandlungsrate von Ferrat in das hochreaktive Fe(V) etwa 15 % betrug. Das ist in etwa vergleichbar mit der Radikalproduktion von Ozonreinigungssystemen. Die Forschung lieferte auch überraschende Ergebnisse in Bezug auf die Art des Lichts, das zur Herstellung der reaktiveren Eisenspezies benötigt wird.
Das Team fand heraus, dass ein Bereich von Lichtwellenlängen, der sich von ultravioletten Spektren bis fast in den sichtbaren Bereich erstreckt, in der Lage sein sollte, Fe(V) zu produzieren. Das ist aus zwei Gründen eine wichtige Erkenntnis, sagen die Forscher. Sichtbares Licht benötigt weniger Energie, um dieses ultraviolette Licht zu erzeugen, was die Ferrat-Anregung energieeffizienter machen könnte als bisher angenommen. Außerdem wird sichtbares Licht in trübem Wasser weniger gestreut, was bedeutet, dass Fe(V) in einer Vielzahl von Wasserbedingungen produziert werden kann.
Die Ergebnisse sind ermutigend für Joseph Goodwill, Assistenzprofessor für Bau- und Umweltingenieurwesen an der URI und Co-Autor der Studie. Ein Teil seines Forschungsprogramms besteht darin, Wege zu finden, um die „Kluft für sauberes Wasser“ zwischen größeren städtischen Wasseraufbereitungssystemen und kleinen ländlichen Systemen zu schließen.
Reinigungssysteme auf Ferratbasis sind eine vielversprechende Option für kleinere Systeme, bei denen teure und aufwendige Ozonsysteme nicht praktikabel sind, sagt Goodwill. Ferrat hat auch das Potenzial, die Abhängigkeit von aggressiven Chemikalien wie Chlor zu verringern und kann sogar hartnäckige Verunreinigungen beseitigen, die Chlor nicht entfernen kann.
Dazu gehören Per-/Polyfluoralkyl-Substanzen (PFAS), eine Klasse von Chemikalien, die zunehmend in Brunnen und Wassersystemen in den USA zu finden sind. Bevor Ferratsysteme jedoch weit verbreitet eingesetzt werden können, müssen Wissenschaftler die Ferratchemie besser verstehen.
„Die Bildung starker Oxidationsmittel aus Ferrat war mechanistisch schwer zu verstehen, und dies hat die Prozessoptimierung und die großtechnische Umsetzung in Wasseraufbereitungsanwendungen blockiert“, sagte Goodwill. „Die in diesem Papier vorgestellten Ergebnisse verbessern unser grundlegendes Verständnis des Ferratsystems, das Türen für Anwendungen öffnet.“
Die Forscher hoffen, dass diese neuen Erkenntnisse zur Funktionsweise der Ferrat-Photochemie dazu beitragen werden, den Einsatz von eisenbasierter Wasseraufbereitung zu erweitern.
Mehr Informationen:
Cali Antolini et al, Photochemische und photophysikalische Dynamik des wässrigen Ferrat(VI)-Ions, Zeitschrift der American Chemical Society (2022). DOI: 10.1021/jacs.2c08048