化工領域會產生大量廢水，如果其中含有鹽類，將導致藥劑和處理成本大幅增加。國立研究開發法人日本原子能研究開發機構原子能科學研究所物質科學研究中心的杉田剛研究副主幹、上田祐生研究副主幹、中部倫太郎研究員，該研究所推廣辦公室的南川卓也研究副主幹、關根由莉奈研究主席，以及日本高知大學理工學部的森勝伸教授等人組成的聯合研究團隊發現，通過將產生光觸媒作用的氧化鎢微細粒製成多孔凝膠，即使在含鹽環境中，也能以比既往材料高出4～13倍的效率分解廢水。杉田副主幹表示，「今後將以對工業廢水和海水為目標，連同其他光觸媒在內展開研究，並通過提升耐久性實驗，推進面向實用化的相關工作。」
圖1 日本原子能研究開發機構原子能科學研究所物質科學研究中心的杉田剛研究副主幹（供圖：科學新聞社）
圖2 光催化凝膠的製備方法（供圖：日本原子能研究開發機構）
在化學工廠和海水淡化裝置中，通常通過逆滲透膜等方式處理含有大量NaCl和硫酸鹽的水。當高鹽水中存在有機物質時，會導致膜堵塞，從而需要進行清洗或更換。此外，在高鹽水中去有機物移除時，常使用化學氧化劑或臭氧分解，但與非鹽水環境相比，效率容易下降，且大量使用藥劑會帶來環境風險，處理成本高昂。這些成本最終會反映在產品價格或水費中，因此亟須能夠以低成本進行水處理的技術。
利用光催化的水處理技術，只需照射光線即可將有機物質分解為水和二氧化碳等，作為對環境友好的技術而備受關注。然而，當水中的鹽類和離子濃度較高時，粉末狀光催化顆粒會發生凝聚，或離子會阻礙光觸媒與有機物質的反應，導致性能大幅下降。如果為防止凝聚而將光觸媒固定在平板等載體上，又會因參與反應的顆粒表面積減少而使反應效率大幅降低。
研究團隊通過將羧甲基纖維素鈉奈米纖維（CMCF）混入能夠在太陽光下發揮作用的光觸媒氧化鎢，通過在冷凍後浸入檸檬酸溶液中並進行解凍的凍結交聯法合成了光催化凝膠。
這種採用自主方法製備的水凝膠，其內部形成了相當於1～2根頭髮粗細（100～200微米）的複雜水通道，並具有在高鹽水中使有機物質吸附於凝膠表面的特性。因此，將光催化微粒分散並固定在凝膠內部後，可以抑制顆粒聚集，保持光觸媒與有機物質的高效接觸，在高鹽水中使有機物質更容易吸附於凝膠表面，從而提升分解效率。
以靛胭脂（藍色著色劑）作為模型有機污染體進行分解實驗後發現，在不含鹽類的水中，與粉末懸浮液（粉末狀）和固定在玻璃上的材料（薄膜狀）相比，光催化凝膠表現出更優異的分解效率。此外，即使在鹽類（硝酸鈉、NaCl、磷酸二氫鈉、Na₂SO₄）濃度較高（100毫摩爾）的條件下，其分解效率也比粉末型和玻璃固定型材料高出4～13倍。一般來說，鹽類會降低分解效率，但在硝酸鈉或磷酸二氫鈉共存的情況下，光催化凝膠反而出現分解效率提升的例外部特性。
此次開發的光催化凝膠顯示出在實際工業廢液和海水中作為下一代淨水材料的可能性，為「高鹽水環境中的光催化設計」提供了新的方向。該材料可通過凍結交聯法較為容易地製備成大面積、多形狀的物料，具備從實驗室向實用水平擴展的優點。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry
論文：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
