纺织品、化妆品、油墨、纸张等生产企业大量排放的染料具有高毒性，会给废水带来潜在的致癌物。这是废水处理的一个主要问题，但德雷塞尔大学工程学院的研究人员可能已经找到了一个解决方案，使用微小的纳米纤维丝。
一项研究的领导Michel Barsoum博士，杰出的工程学院教授，和他的团队，包括来自德雷克塞尔艺术与科学学院的研究人员，发现一种一维的，鳞状石结构的氧化钛光催化剂材料有能力在可见光光谱下分解两种常见的染料污染物——罗丹明6G和结晶紫罗兰。
当催化剂与染料的质量比为1:1时，该材料还在30分钟内将水中的染料浓度分别降低了90%和64%。
“这是一个令人兴奋的发现，因为它有助于解决水处理过程中一个真正的挑战，”Barsoum说。“我们预计，将我们的氧化钛光催化剂整合到当前的工艺中，可以提高其去除这些化学物质的效率，并减少这样做所需的能量。”
这个过程从吸附开始，染料附着在纳米丝的表面，一旦被照亮，就会进行光催化。染料使纳米丝对可见光敏感。这个过程加速了降解，使染料分解成无害的副产品，如二氧化碳和水。
最近发表在《物质》杂志上的这项研究发现，染料降解和自敏化过程的关键是材料产生电子空穴和所谓的“ROS”——羟基、超氧化物和单线态氧、自由基以及电子“空穴”的能力。
这两种染料目标通常出现在废水中的染料驱动流出物中。从字面上看，污水是指流出的东西，与废水中的污水不同。固体废物可以经过过滤，在水净化之前除去。污水悬浮在水中，使其难以分离和去除。
罗丹明6G是一种由杂蒽衍生的染料，主要用于木材加工、纸张染色、钢笔墨水和化妆品。结晶紫是一种三苯基甲烷染料，用于为油墨和纺织品染色。这些染料是水溶性的，任何多余的都作为废水排放。
废水是世界范围内的一个主要环境问题，它的存在对人类、水生植物和动物的健康产生长期影响。全球家庭和工业每年产生近3800亿立方米的废水。由于处理方面的挑战，其中只有24%得到了充分的处理，包括高能耗、残留化学品的存在、处理中心的人员配备以及对包括染料在内的复杂和持久性污染物的处理不足。
据研究人员称，由于染料复杂的分子结构和水溶性，最常见的废水处理方法，如沉淀、生物氧化和化学物理处理，在去除染料方面是无效的。
吸附粘土材料，活性炭，氧化铁和天然材料，如咖啡渣，也曾使用过，并表现出高阳离子染料吸收，交换离子或形成键。然而，这些材料只是允许染料与水分离——染料仍然存在，只是附着在废水中的吸附剂材料上。
长期以来，光催化剂一直被认为是去除水中染料的关键，但迄今为止还没有找到一种可持续的解决方案。根据Barsoum的说法，许多光催化剂通常需要紫外线处理，这需要消耗大量的能量。新型纳米丝的影响在于它的自敏性，这使得纳米丝对可见光更敏感。
Barsoum研究小组的博士生亚当·沃尔特(Adam Walter)是材料科学与工程系的第一作者，他说:“使用人眼可以看到的可见光——比如太阳或其他模拟光源，可以显著降低与处理相关的财务和能源消耗成本，同时还能高效地去除废水中的染料，消除有毒废水。”
“这也为扩展到太阳能电池或光学设备等其他领域提供了一个令人兴奋的机会。”
其结果是:更清洁的水没有使用额外的毒素或额外的能源。
为了进行这项研究，研究小组使用x射线衍射来表征纳米材料中原子的排列。他们进一步用扫描和透射电子显微镜对纳米材料进行了表征，扫描和透射电子显微镜向材料发射电子束以形成图像。
为了监测染料的脱色，研究小组使用紫外-可见光谱法监测样品，并通过化学需氧量量化矿化。该研究详细介绍了纳米丝的结构和光学特性，以及由于其对研究中测试的两种染料的吸附效率，该材料在废水处理方面的前景。
该研究最重要的发现之一是强有力的证据表明，纳米丝被染料敏化，这代表了添加剂和废水的共生关系，从而产生更清洁、毒性更低的水。沃尔特说，考虑这个问题的一种方式是，染料催化了自身的破坏。
此外，虽然这项研究证明了纳米丝可以用来提高水处理能力，但它也首次证明了材料可以敏化，为太阳能电池和光学器件的其他应用打开了大门。今年早些时候，该团队对同样的纳米丝进行了研究，发现它可以利用阳光分离氢，这可能会释放其在绿色燃料生产方面的潜力。
“我们才刚刚开始发现这种材料的可能性，”Barsoum说。“随着我们更好地了解其行为的过程，我们期待探索新的应用，在这些应用中，它可以提高世界需要的技术性能，从而走向更可持续的未来。”
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