清洁用水，正成为全球范围日益受到重视的一大资源利用问题。为了确保不断增长的全球人口能够获得清洁的水，开发新的水处理方法也被提上了日程。
你可能想不到，当一种叫做高铁酸盐的铁暴露在特殊光线（激光）下并发生一系列的化学反应，或将成为水处理技术的一大加持。据悉，高铁酸盐产生的有毒副产物比氯等化学物质更少，而且可能比复杂的臭氧处理系统更便宜，更容易部署。
这种新处理手段比较棘手的问题就在于，它需要与其他化合物结合或被光能激发，才能使高铁酸盐发挥最佳的水消毒净化效果。
近日，美国罗德岛大学（URI）的一组研究人员使用一种涉及超高速激光和X射线脉冲的技术，揭示了高铁酸盐暴露在可见光和紫外线下发生化学反应的新细节。相关研究结果发表在《美国化学学会杂志》（JACS）上，可以帮助研究人员优化其在水处理中的应用。
罗德岛大学化学助理教授、该研究的通讯作者Dugan Hayes表示，高铁酸盐的光激活此前从未被详细研究过，这项研究中他们的团队首次揭示了其中的一些光物理性质。
高铁酸盐是一种氧化剂，这意味着它可以通过“窃取”污染物的电子来分解污染物。高铁酸盐本身是一种相当强的氧化剂，但当被光激发时它会产生一种更强的氧化剂，称为Fe（V）（或Fe5＋）。然而，在这项新研究之前，人们并不知道生产Fe（V）需要多少能量，以及可以生产多少能量。
为了明确这些方面，Dugan Hayes实验室的博士生Cali Antolini牵头开展了一项瞬态吸收光谱实验，这其实是一种利用超高速激光脉冲研究光化学反应的技术。
Cali Antolini借助罗德岛大学的设施，利用紫外线和可见光脉冲进行了实验。此外，她还在芝加哥阿贡国家实验室的先进光子源大型同步加速器平台上使用X射线进行了类似的实验。
在该实验中，最初的脉冲负责启动反应，而后续的脉冲则负责探测反应的过程。激光脉冲的速度大约为千万亿分之一秒，这让研究人员可以详细记录哪怕是最短时间内的反应产物。
研究结果表明，高铁酸盐与高活性Fe（V）的转化率约为15％。这项研究还发现，从紫外光谱延伸到可见光光谱的一系列波长应该能够产生Fe（V）。
研究人员表示，这一重要发现有两个原因：首先，可见光产生紫外光所需的能量更少，这使得高铁酸盐激发的能量效率比之前假设的更高。此外，可见光在浑浊的水中散射较少，这意味着Fe（V）可以在各种各样的水条件下产生。
该研究还有助于找到一种能够弥合大型城市水处理系统和小型农村水处理系统之间“清洁水差距”（clean water gap）的方法。高铁酸盐净化系统的建造更小型化、成本更低，相比昂贵而复杂的臭氧处理系统而言实用性有望得以提升。此外，高铁酸盐也有望减少对氯等刺激性化学物质的依赖，甚至可能消除氯无法去除的顽固污染物，其中包括在美国各地水系统中越来越常见的化学物质——全氟／多氟烷基物质（PFAS）。但在高铁酸盐系统被广泛应用之前，科学家们需要更好地了解高铁酸盐的化学性质。
这项研究的合著者、罗德岛大学土木与环境工程助理教授Joseph Goodwill表示：“高铁酸盐中强氧化剂的形成很难从机理上理解，这阻碍了工艺优化和在水处理应用中的全面实施。而这篇论文中得出的结论提高了我们对高铁酸盐体系的基本理解，为这一应用打开了大门。”
研究人员希望这些关于高铁酸盐光化学工作原理的新发现将有助于扩大铁基水处理的使用。目前这项研究已经得到了美国能源部（DE－SC0019429和DE－AC02－06CH11357）和美国国家科学基金会（2046383）的支持。