化工领域会产生大量废水，如果其中含有盐类，将导致药剂和处理成本大幅增加。国立研究开发法人日本原子能研究开发机构原子能科学研究所物质科学研究中心的杉田刚研究副主干、上田祐生研究副主干、中部伦太郎研究员，该研究所推广办公室的南川卓也研究副主干、关根由莉奈研究主席，以及日本高知大学理工学部的森胜伸教授等人组成的联合研究团队发现，通过将产生光催化作用的氧化钨微细颗粒制成多孔凝胶，即使在含盐环境中，也能以比既往材料高出4～13倍的效率分解废水。杉田副主干表示，“今后将以对工业废水和海水为目标，连同其他光催化剂在内展开研究，并通过提升耐久性实验，推进面向实用化的相关工作。”
图1 日本原子能研究开发机构原子能科学研究所物质科学研究中心的杉田刚研究副主干（供图：科学新闻社）
图2 光催化凝胶的制备方法（供图：日本原子能研究开发机构）
在化学工厂和海水淡化装置中，通常通过反渗透膜等方式处理含有大量NaCl和硫酸盐的水。当高盐水中存在有机物时，会导致膜堵塞，从而需要进行清洗或更换。此外，在高盐水中去除有机物时，常使用化学氧化剂或臭氧分解，但与非盐水环境相比，效率容易下降，且大量使用药剂会带来环境风险，处理成本高昂。这些成本最终会反映在产品价格或水费中，因此亟须能够以低成本进行水处理的技术。
利用光催化的水处理技术，只需照射光线即可将有机物分解为水和二氧化碳等，作为对环境友好的技术而备受关注。然而，当水中的盐类和离子浓度较高时，粉末状光催化颗粒会发生凝聚，或离子会阻碍光催化剂与有机物的反应，导致性能大幅下降。如果为防止凝聚而将光催化剂固定在平板等载体上，又会因参与反应的颗粒表面积减少而使反应效率大幅降低。
研究团队通过将羧甲基纤维素纳米纤维（CMCF）混入能够在太阳光下发挥作用的光催化剂氧化钨，通过在冷冻后浸入柠檬酸溶液中并进行解冻的冻结交联法合成了光催化凝胶。
这种采用自主方法制备的水凝胶，其内部形成了相当于1～2根头发粗细（100～200微米）的复杂水通道，并具有在高盐水中使有机物吸附于凝胶表面的特性。因此，将光催化微粒分散并固定在凝胶内部后，可以抑制颗粒聚集，保持光催化剂与有机物的高效接触，在高盐水中使有机物更容易吸附于凝胶表面，从而提升分解效率。
以靛胭脂（蓝色着色剂）作为模型有机污染物进行分解实验后发现，在不含盐类的水中，与粉末悬浮液（粉末状）和固定在玻璃上的材料（薄膜状）相比，光催化凝胶表现出更优异的分解效率。此外，即使在盐类（硝酸钠、NaCl、磷酸二氢钠、Na₂SO₄）浓度较高（100毫摩尔）的条件下，其分解效率也比粉末型和玻璃固定型材料高出4～13倍。一般来说，盐类会降低分解效率，但在硝酸钠或磷酸二氢钠共存的情况下，光催化凝胶反而出现分解效率提升的例外特性。
此次开发的光催化凝胶显示出在实际工业废液和海水中作为下一代净水材料的可能性，为“高盐水环境中的光催化设计”提供了新的方向。该材料可通过冻结交联法较为容易地制备成大面积、多形状的物料，具备从实验室向实用水平扩展的优点。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry
论文：Highly Water-Permeable WO3-Containing Porous Hydrogel via Freeze-Crosslinking for Efficiency and Salt-Robust Dye Decolorization
URL：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1010603025005131
