第三眼 Vol. 92
微污染物是水处理界的一个新兴问题，它给我们的水体造成了不少的负担，要将它们从污水中移除更是需要很多技术资源。对此，显然我们不能坐以待毙。瑞士和德国是这方面的探路先锋，此前我们就曾报道过德国巴登-符腾堡州（Baden-Württemberg）对地方污水厂的微污染物去除项目给予资助。而最近。最近， 苏黎世联邦理工学院ETH的研究员声称开发了一种新的方法，可以有效地去除这些“麻烦制造者”。他们的报告发表在材料科学领域的著名期刊《Advanced Materials》上。在本期“第三眼”专栏里，我们将带各位水友看看他们的研究成果。
微污染物是许多污水厂面临的新问题 | 图源：Shutterstock
原文出处：ETH / 译者：瓦村农夫
磁性纳米粒子助力去除微污染物
要解决微污染物的问题，首先要弄清这些污染物的源头。其实它们就来自我们的日常生活使用的各种化学物质，例如化妆品、药品、避孕药，肥料和洗涤剂等。这些东西一方面让我们的生活变得更便利，一方面却也对我们的环境造成负面影响，因为当今城市污水处理厂的一般工艺很难将它们彻底去除，因此它们最终又回到环境中，给我们水体中的动植物都造成负担。
瑞士是世界上第一个实行新兴污染物点源控制的国家。早在2014年，瑞士国会就批准对新的水保护法案进行修订（Swiss Water Protection Act），对污水厂出水中微污染物的排放浓度设定限值，并要求部分污水厂进行改造，增加深度处理工艺，以12种指示污染物的去除率作为评判标准，且去除率不低于80%。他们的目标是在2040年前，对全瑞士约650座污水厂中的100座进行升级改造。
虽然得到瑞士政府在资金上的保障，但参与这个项目的污水厂的运行管理者依然面临着自己的挑战，主要问题是目前去除这些污染物的工艺其实比较复杂，而且选择不多，无非是臭氧、活性炭和光催化等。
瑞士第一座臭氧四级处理污水厂Neugut | 图源：water2020.eu
瑞士有深度处理的污水厂概况 | 图源：water2020.eu
纳米粒子助力降解
最近，ETH机器人和智能系统学院的研究员表示他们研发了一种更“优雅”的方法，来更轻松地去除这些物质。使用多铁纳米颗粒，他们成功地诱使受污水中的化学残留物的分解。 他们具体研究的材料是钴铁氧体-铋铁氧体（Cobalt ferrite–bismuth ferrite ，简称CFO–BFO），这些纳米颗粒并不直接参与化学反应，而是充当催化剂，加速物质转化成无害化合物。
磁性纳米材料在磁场中通过磁电效应分解有机物的原理图 | 图源：ETH
“其实这些纳米粒子已经作为催化剂用于许多工业领域的化学反应中了，我们的研究如今成功证明它也可以用于污水处理。”Salvador Pané博士解释说。他是ETH的多尺度机器人实验室（MSRL）的高级研究员，在这个研究项目的推进上他扮演着关键角色。
研究员选用纺织行业使用的各种有机颜料作为实验对象，左右两图是处理前后的效果对比。| 图源: ETH / F. Mushtaq
80%去除率
在实验里，研究人员使用五种常用药物作为考察对象，以极少的剂量配成水溶液。结果显示，纳米颗粒可以将这些物质在水中的浓度降低至少80％。对于这个结果的重要性，本文的第一作者Fajer Mushtaq女士(在读博士)在接受采访时补充道：“这些物质里有两种是传统臭氧工艺无法去除的化合物。”
使用水热和溶胶 - 凝胶合成的CFO-BFO纳米颗粒的制备方案
“更重要的是，我们能够利用磁场精确调整纳米粒子的催化输出，”参与这个项目的另一位研究员陈相仲博士解释说。陈博士是MSRL实验室的一名博士后。
这些颗粒以钴铁氧体为核，然后被铋铁氧体作壳包围。当对它施加外部交变磁场的时候，颗粒表面的一些区域会形成正电荷，而其他区域则带负电荷。这些电荷导致水中形成活性氧物质，最终将有机污染物分解成无害化合物。 据陈博士介绍，通过磁场这些磁性纳米粒子自身也可以很容易地从水中移除。
市场反响
研究团队还挺看好他们研发的磁性催化法的前景的，因为他们觉得它的使用比臭氧工艺更为容易。Pané则透露污水界的人他们的研究成果非常感兴趣。
但这些研究还处于实验室水平，要真正投入工程应用还有好一段路要走。可喜的是，据Mushtaq女士介绍，瑞士国家科学基金会(SNSF)和科技创新署(Innosuisse)已经同意拨款资助他们的一个过渡性项目，来支持他们将这项技术转化成实际应用。另外，他们也计划成立一家项目子公司（spin-off），来让他们的成果更好地和市场需求相匹配。
关于这个研究更多的细节，可以访问以下网址查阅原文，也可以留言向小编索取PDF版本：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201901378
参考资料
1.https://www.ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2019/05/efficient-removal-of-microcontaminants.html
2.https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201901378
3.https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=52822.php
4.https://arxiv.org/pdf/1904.01271.pdf
5.http://www.water2020.eu/sites/default/files/keynote_adriano_joss_eawag_switzerland.pdf
6.http://www.tapes-interreg.eu/uploads/Hochstrat_TAPES%20final%20conference%202015-09-24.pdf
7.https://envilab.ch/fileadmin/files/documents/Fachartikel/FA_Aqua_u_Gas_2_2015.pdf
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