清潔用水，正成為全球范圍日益受到重視的一大資源利用問題。為了確保不斷增長的全球人口能夠獲得清潔的水，開發新的水處理方法也被提上了日程。

你可能想不到，當一種叫做高鐵酸鹽的鐵暴露在特殊光線（激光）下并發生一系列的化學反應，或將成為水處理技術的一大加持。據悉，高鐵酸鹽產生的有毒副產物比氯等化學物質更少，而且可能比復雜的臭氧處理系統更便宜，更容易部署。

這種新處理手段比較棘手的問題就在于，它需要與其他化合物結合或被光能激發，才能使高鐵酸鹽發揮最佳的水消毒凈化效果。

近日，美國羅德島大學（URI）的一組研究人員使用一種涉及超高速激光和X射線脈沖的技術，揭示了高鐵酸鹽暴露在可見光和紫外線下發生化學反應的新細節。相關研究結果發表在《美國化學學會雜志》（JACS）上，可以幫助研究人員優化其在水處理中的應用。

羅德島大學化學助理教授、該研究的通訊作者Dugan Hayes表示，高鐵酸鹽的光激活此前從未被詳細研究過，這項研究中他們的團隊首次揭示了其中的一些光物理性質。

高鐵酸鹽是一種氧化劑，這意味著它可以通過“竊取”污染物的電子來分解污染物。高鐵酸鹽本身是一種相當強的氧化劑，但當被光激發時它會產生一種更強的氧化劑，稱為Fe（V）（或Fe5＋）。然而，在這項新研究之前，人們并不知道生產Fe（V）需要多少能量，以及可以生產多少能量。

為了明確這些方面，Dugan Hayes實驗室的博士生Cali Antolini牽頭開展了一項瞬態吸收光譜實驗，這其實是一種利用超高速激光脈沖研究光化學反應的技術。

Cali Antolini借助羅德島大學的設施，利用紫外線和可見光脈沖進行了實驗。此外，她還在芝加哥阿貢國家實驗室的先進光子源大型同步加速器平臺上使用X射線進行了類似的實驗。

在該實驗中，最初的脈沖負責啟動反應，而后續的脈沖則負責探測反應的過程。激光脈沖的速度大約為千萬億分之一秒，這讓研究人員可以詳細記錄哪怕是最短時間內的反應產物。

研究結果表明，高鐵酸鹽與高活性Fe（V）的轉化率約為15％。這項研究還發現，從紫外光譜延伸到可見光光譜的一系列波長應該能夠產生Fe（V）。

研究人員表示，這一重要發現有兩個原因：首先，可見光產生紫外光所需的能量更少，這使得高鐵酸鹽激發的能量效率比之前假設的更高。此外，可見光在渾濁的水中散射較少，這意味著Fe（V）可以在各種各樣的水條件下產生。

該研究還有助于找到一種能夠彌合大型城市水處理系統和小型農村水處理系統之間“清潔水差距”（clean water gap）的方法。高鐵酸鹽凈化系統的建造更小型化、成本更低，相比昂貴而復雜的臭氧處理系統而言實用性有望得以提升。此外，高鐵酸鹽也有望減少對氯等刺激性化學物質的依賴，甚至可能消除氯無法去除的頑固污染物，其中包括在美國各地水系統中越來越常見的化學物質——全氟／多氟烷基物質（PFAS）。但在高鐵酸鹽系統被廣泛應用之前，科學家們需要更好地了解高鐵酸鹽的化學性質。

這項研究的合著者、羅德島大學土木與環境工程助理教授Joseph Goodwill表示：“高鐵酸鹽中強氧化劑的形成很難從機理上理解，這阻礙了工藝優化和在水處理應用中的全面實施。而這篇論文中得出的結論提高了我們對高鐵酸鹽體系的基本理解，為這一應用打開了大門。”

研究人員希望這些關于高鐵酸鹽光化學工作原理的新發現將有助于擴大鐵基水處理的使用。目前這項研究已經得到了美國能源部（DE－SC0019429和DE－AC02－06CH11357）和美國國家科學基金會（2046383）的支持。

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