乐动LDSports体育官网一种新材料，利用光来净化含有大量盐的水
-广泛的水处理，包括工业废水和海水，对环境影响为零-

[摘要]

膜处理用于工业废水、污水、海水等水处理场所，去除大量盐分。这时，如果水中含有有机物，就会堵塞膜，所以需要提前去除有机物。然而，当试图从含有大量盐的处理水中去除不需要的有机物质时，臭氧处理和氧化剂的分解效率降低，并且问题仍然是与水处理相关的试剂消耗和成本增加。

光触媒是乐动LDSports体育官网可以通过暴露在光线下强力分解附近化合物的材料。利用光催化剂的水处理作为乐动LDSports体育官网利用光将有机物分解为水、二氧化碳等的环保技术而备受关注。然而，在含有大量盐类和共存离子的水环境中，光催化剂与有机物的反应受到盐类和离子的阻碍，导致其性能非常差。因此，它的使用一直很困难，特别是在含有大量盐的条件下，例如海水或工业废水。此外，粉末状光触媒本身很难使用，固定在某物上使用时，光触媒颗粒与污垢相遇的概率就会降低，导致分解效率大幅下降。

乐动LDSports体育官网小组含有水多孔凝胶（水凝胶）[1]到氧化钨 (WO₃）[2]由于它具有半透明的结构和狭窄而复杂的水通道，即使在有大量盐类和共存离子的条件下，它也能保持光穿过的容易性以及光催化剂与有机物相遇的容易性。光触媒性能测试用着色剂（靛蓝胭脂红[3]2002_2042₂所以₄)存在下，分解效率也比传统材料高4至13倍。这种光催化凝胶是通过冷冻原材料并在解冻过程中添加有机酸使其难以分解而制成的。冷冻交联法[4]的简单合成方法生产的。另一个优点是相对容易创建大面积和多种形状，允许从实验室水平发展到实际规模。

未来，我们将致力于提高耐用性和长期连续运行，以实际使用为目标，并致力于乐动LDSports体育官网工业废水的应用。我们还旨在为国际水环境问题和“安全用水和卫生设施”的可持续发展目标做出贡献。

这项乐动LDSports体育官网是由日本原子能机构（主席）（Masanori Oguchi）进行的这是一个联合乐动LDSports体育官网小组的成果，该小组由副乐动LDSports体育官网主任杉田刚、副乐动LDSports体育官网主任上田由纪、核科学乐动LDSports体育官网所材料科学乐动LDSports体育官网中心乐动LDSports体育官网员伦太郎、副乐动LDSports体育官网主任南川卓也、乐动LDSports体育官网所推进办公室乐动LDSports体育官网主任关根由里奈和教授组成高知大学科学技术学院教授森胜信。

此成果发表在爱思唯尔学术期刊《Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry》（2025 年 11 月 7 日）上。

[背景和历史]

在化工厂和海水淡化厂中，含有大量氯化钠和硫酸盐的水必须使用反渗透膜进行处理。这种咸水中存在的有机物会成为污垢并堵塞膜，需要清洁或更换。清洗和更换膜的高昂成本最终反映在产品价格和水费上，同时危及运行稳定性和安全供水。

此外，化学氧化剂和臭氧分解可用于去除富含盐的水中的有机物，但现实情况是，与非盐水相比，它们的效率往往会降低。此外，由于化学品消耗量大、加工成本高，还存在环境风险问题。虽然这取决于地区和工艺条件，但最近对实际工厂的分析表明，膜污染造成的成本约占运营成本的 24%。^１另外，在膜法海水淡化技术的成本分配分析中，有报道称化学品成本约占12%²在此背景下，乐动LDSports体育官网即使在咸水中也能分解有机物的新技术对于支持工业可持续发展和安全供水具有重大社会意义。

使用光催化剂的水处理技术，只需将其暴露在光下即可将有机物分解为水和二氧化碳，作为一种安全环保的技术而受到关注。然而，在水中盐或离子浓度较高的条件下，例如在工业废水或海水中，粉末状光触媒颗粒可能会粘在一起并形成团块（聚集），或者离子可能会抑制光触媒与有机物之间的反应，导致性能显着下降。当将光催化剂固定在平板上以抑制团聚时，与粉末状光催化剂相比，有助于反应的颗粒表面积减少，导致反应效率显着下降。还乐动LDSports体育官网了使用多孔凝胶作为承载光催化剂的基材的材料，但由于许多问题，例如无法提高反应效率或耐久性，以及合成方法复杂且昂贵等，该材料仍处于研究阶段。

如果即使在咸水中也可以使用光催化剂，则无需使用化学品或特殊设备即可轻松分解有机物，这也有望通过减少二次废物来为环境保护做出贡献。在富盐条件下工作的光催化材料不仅是基础乐动LDSports体育官网的需要，也是社会的需要。

[结果]

众所周知，粉末或薄膜形式的传统光催化材料（图1左）由于颗粒聚集和溶液中盐离子的反应抑制，有机物的分解效率显着下降。

乐动LDSports体育官网团队重点乐动LDSports体育官网了我们于2020年自主研发的水凝胶。在制造过程中，凝胶内部形成了厚度为一到两根头发丝（100到200微米）的复杂水通道，具有在盐水中吸附凝胶表面有机物质的特性（图1，右）。我们认为，使用该水凝胶的光催化凝胶可预期具有以下效果： (1)通过将光催化剂细颗粒分散并固定在凝胶内部，抑制颗粒聚集并有效地维持光催化剂和有机物之间的接触。 (2) 有机物在富盐水中更容易吸附到凝胶表面，从而提高分解效率。

图1 传统光催化材料（左）与本研究乐动LDSports体育官网的光催化凝胶（右）之间的差异

在这项乐动LDSports体育官网中，我们在羧甲基纤维素纳米纤维 (CMCF) 上使用了氧化钨 (WO₃)混合，冷冻，然后浸入柠檬酸溶液中解冻（冷冻交联法），合成光催化凝胶。一般来说，WO₃在水凝胶中。研究团队利用CMCF搅拌时柔软、静置时变硬的特性，乐动LDSports体育官网出WO₃已固定为分布式状态。

进行扫描电子显微镜-能量色散X射线光谱(SEM-EDX)观察。合成的光催化凝胶内部形成100-200 µm的通道，内壁覆盖有WO₃我们确认粉末固定均匀（图2）。此外，整个光催化凝胶含有WO₃有多少粒子被固定在簇中，日本原子能机构乐动LDSports体育官网堆 JRR-3 [5]小角中子散射装置（SANS-J、PNO）[6]进行分析结果，WO₃很明显，颗粒被固定而没有形成大的团块。我们推断这创造了一个反应场，有机污染物可以有效地与光催化剂接触。

图2 光催化凝胶（左）和固定在光催化凝胶内壁上的WO的SEM图像₃（右）
右图中绿色或白色部分的WO₃是固定的。

我们使用靛蓝胭脂红（蓝色着色剂）作为模型有机污染物，进行了水中有机物的分解测试。在不含盐的水中，WO₃粉末悬浮液（粉末形式）和WO₃与固定玻璃材料（薄膜）相比，光催化凝胶表现出优异的分解效率。此外，盐类（硝酸钠（NaNO）₃)、氯化钠、磷酸二氢钠 (NaH₂订单₄)，娜₂所以₄) 在相对较高的浓度 (100 mmol L⁻¹)，即使在传统WO存在的条件下₃其降解效率比粉末或玻璃固定材料高 4 至 13 倍。盐通常会降低分解效率，但有趣的是，NaNO₃是啊₂所以₄共存时，分解效率不但没有降低，反而有所提高（图3）。

图3 粉末、薄膜和光催化凝胶在水中的靛蓝胭脂红染料残留率（反应后的染料浓度）比较（左）和染料分解实验（右，光照射前）

[摘要/未来展望]

成功乐动LDSports体育官网的含WO₃光催化凝胶克服了“在盐水中性能下降”的传统问题。它展示了成为可用于实际工业废液和海水的下一代水净化材料的可能性，并为“咸水中的光催化剂设计”提供了新的指导方针。这种材料可以使用冷冻交联方法相对容易地大面积和多种形状地生产，并且还具有可从实验室水平扩展到实用水平的优点。

我们相信，使用水凝胶来提高盐水中的反应效率将为乐动LDSports体育官网在各种溶液条件下发挥作用的新型光催化材料开辟道路。未来，我们将着眼于实际应用，努力提高耐用性和长期连续运行，目标是将其应用于工业废水和海水。

水处理还包括核设施的后处理放射性碘物质 (I-129) 和有机碘 [7]）是必要的。这一成果有可能促进水处理技术的进步，并有望为实现可持续水处理奠定基础。我们希望将这项乐动LDSports体育官网发展为有助于国际水环境问题和“安全水和卫生设施”可持续发展目标的乐动LDSports体育官网。

[论文信息]

• 期刊名称：Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry
• 标题：高透水性 WO₃-通过冷冻交联含有多孔水凝胶，以提高效率和耐盐性染料脱色
• 作者名：杉田刚^1,2，上田由纪¹，中部伦太郎¹，森正信³，南川拓哉^2,4和关根友里奈^2,4
• 隶属机构：1 日本原子能机构材料科学研究中心、2 日本原子能机构关根生物质资源乐动LDSports体育官网实验室、3 高知大学理工学院、4 日本原子能机构促进办公室

＜补充说明＞

每位乐动LDSports体育官网人员的角色如下。

• 使用光催化凝胶在高盐浓度条件下分解有机物质的实验设计：Sugita、Minamikawa、Sekine（日本原子能机构）、Mori（高知大学）
• 与本乐动LDSports体育官网相关的数据收集和分析：Sugita、Ueda、Chubu（日本原子能机构）
• 论文写作：杉田、上田、中部、关根（日本原子能机构）、森（高知大学）
• 乐动LDSports体育官网主管：Sugita, Sekine（日本原子能机构）

这项乐动LDSports体育官网得到了日本学术振兴会科学乐动LDSports体育官网补助金 C (22K05205) 的支持。

参考文献

¹M。 Jafari，M Vanoppen，JMC范阿格特马尔，ER科内利森，JS Vrouwenvelder, A Verliefde, MCM van Loosdrecht, C Picioreanu，荷兰全规模反渗透和纳滤装置的结垢成本。海水淡化 2021, 500, 114865

²A Benahmed, M Bessedik, C Abdelbaki, SA Mokhdar, MFA Goosen, BHöllerman, A Zouhiri, N Badr，调查海水淡化厂的长期经济可持续性和水生产成本：阿尔及利亚 Chatt Hilal 的案例乐动LDSports体育官网，埃及水生乐动LDSports体育官网杂志 2025, 51, 31–38。

 

[术语解释]

[1]多孔凝胶（水凝胶）

由聚合物制成的海绵状物质，遇大量水会膨胀。具有高透水性和柔韧性，用于医疗材料和水处理。

[2] 氧化钨 (WO₃）

乐动LDSports体育官网对可见光有响应的半导体光催化材料。它具有高度耐用性，有望应用于水处理和环境净化。

[3] 靛蓝胭脂红

乐动LDSports体育官网蓝色合成颜料，用作食品添加剂和染料。它经常被用作水净化实验中的模型有机污染物。

[4]冷冻交联法

乐动LDSports体育官网通过结合冷冻和化学交联来创建多孔凝胶的方法。大面积、多形状的样品可以相对容易地获得。 2020年，日本原子能机构等组织的研究小组发现，当将CMCF水溶液冷冻然后在柠檬酸水溶液中解冻时，CMCF会发生强烈交联。我们已经宣布冷冻交联法作为多孔凝胶合成方法，目前正在进行研究。

[5] 乐动LDSports体育官网堆 JRR-3

位于 JAEA 的设施，利用核裂变反应产生的稳定中子束进行材料乐动LDSports体育官网。输出功率为20兆瓦。设施内安装了大量的中子实验装置，用于物质结构分析和材料性能评估等广泛的乐动LDSports体育官网。

[6] 小角中子散射

观察和分析材料微观结构的技术。可以详细乐动LDSports体育官网材料的平均结构，范围从单个蛋白质的大小（纳米）到人类头发厚度的十分之一（几微米）。

[7] I-129（放射性碘129）和有机碘体

I-129 是乐动LDSports体育官网半衰期约为 1600 万年的放射性核素。由于它们在水中以无机物和有机物等多种形式存在，因此往往残留在环境中，使其成为污水处理和环境管理的重要目标。有机碘是碘与有机分子结合的化学物质。它在水中很难吸附和去除，被认为是难处理的核素之一。