同步辐射技术在水处理中的应用——干货全解析

说明：本次主要介绍同步辐射技术在水处理中的应用，包括同步辐射应用在水处理中的研究背景，近年论文发表趋势，相关基础知识，以及案例分析。想要学习更多同步辐射知识可查看以往内容：

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随着工业化进程的加速，石油开采、化工等行业产生了大量复杂的废水，如石油开采废水（PW）。这类废水含有油、有机物、无机盐、重金属等多种污染物，直接排放会对环境和人类健康造成严重危害，如毒害水生生物、通过食物链对人体产生潜在致癌影响。传统的水处理技术，如絮凝、重力分离等，在处理这类废水时存在局限性，难以有效去除乳化油等微小污染物。

膜分离技术因其高效性、环境可持续性等优势，成为处理此类废水的热门选择。然而，膜污染问题严重影响了膜分离技术的效率和稳定性。为解决这些问题，科研人员不断探索新型膜材料和技术，同步辐射技术在此过程中崭露头角。它能够从微观层面分析膜材料的结构、组成以及污染物与膜之间的相互作用，为优化膜性能提供关键依据。

近年来，同步辐射在水处理领域的研究受到越来越多的关注，相关论文发表呈现出一些显著趋势。

从数量上看，发表的论文数量逐年递增。这得益于同步辐射技术的不断发展以及科研人员对其在水处理领域潜在应用的深入挖掘。

在研究方向上，一方面，利用同步辐射技术深入探究膜污染机制成为热点。通过精确分析膜与污染物之间的相互作用，揭示膜污染的微观过程，为开发抗污染膜材料提供理论基础。另一方面，研究人员开始聚焦于借助同步辐射技术优化膜的制备工艺，以实现对膜结构和性能的精准调控，提高膜的分离效率和稳定性。

同步辐射X射线荧光光谱（Synchrotron Radiation X-ray Fluorescence，SR-XRF）：SR-XRF利用同步辐射激发样品，使样品中的元素发射出特征X射线荧光。根据荧光的强度和能量，可以确定样品中元素的种类和含量。该技术具有高灵敏度、多元素同时分析等优点，能够对样品进行微区分析，获取元素的分布信息。

同步辐射傅里叶变换红外光谱（Synchrotron Radiation Fourier Transform Infrared Spectroscopy，SR-FTIR）：SR-FTIR是在传统傅里叶变换红外光谱技术的基础上，利用同步辐射光的高亮度优势发展起来的。不同化学基团在红外光照射下会吸收特定频率的光，通过测量样品对红外光的吸收光谱，就可以识别和分析样品中的化学基团。傅里叶变换的作用是将时域的光信号转换为频域的光谱，从而更方便地进行分析。同步辐射光的高亮度使得检测灵敏度大大提高，能够检测到更微弱的化学基团信号，对于研究材料中微量成分或化学基团的变化非常有效。

在这里，我们以一篇《基于聚丙烯腈膜和ZrO₂/丝胶技术的EOR采油废水处理系统开发：基于同步加速器和XDLVO分析的交互作用机理揭示》为例，一起来探究同步辐射在水处理中的应用。

DOI：https://doi.org/10.1038/s41545-025-00454-6

同步辐射XANES分析

同步辐射XANES确定ZrO₂纳米颗粒及ZrSS纳米复合材料的结构：文献中通过XANES对ZrO₂纳米颗粒（NPs）和ZrSS纳米复合材料（NCs）进行分析，在Zr的K边XANES谱中，二者均呈现出窄白线和轻微负斜率的特征，这是由单斜相的强负斜率和四方相的双峰组合形成的宽单峰。

在前边缘处，具有四方相的特征，即1s→4d跃迁。这表明ZrO₂纳米颗粒的结构主要为四方相，并含有少量单斜相，且ZrSS纳米复合材料在丝胶（SS）修饰过程中，ZrO₂的结构未发生改变，为后续研究膜材料的性能提供了结构基础。

同步辐射XANES分析元素的化学环境变化：通过对比ZrO₂纳米颗粒和ZrSS纳米复合材料的XANES谱，可以发现由于SS的引入，Zr周围的化学环境发生了一定变化。虽然结构未变，但这种化学环境的改变可能影响到膜材料与污染物之间的相互作用，进而影响膜的性能，这对于理解膜的工作机制具有重要意义。

同步辐射EXAFS分析

同步辐射EXAFS研究配位结构：从EXAFS的傅里叶变换谱中，能够清晰看到在ZrO₂纳米颗粒和ZrSS纳米复合材料中，位于1.47 Å和1.56 Å处的峰对应Zr-O壳层，3.28 Å处的峰对应Zr-Zr壳层。这表明在ZrSS纳米复合材料中，Zr原子的第一配位壳层为O，第二配位壳层为Zr，且配位原子O的数量与ZrO₂纳米颗粒相比未发生变化。然而，ZrSS纳米复合材料中Zr-O壳层的峰位置略有移动，强度也有所降低，这是由于SS的掺入对其产生了影响，进一步说明了SS与ZrO₂之间存在相互作用，影响了Zr的局部结构。

同步辐射EXAFS推测化学键形成情况：根据峰位置和强度的变化，可以推测SS的官能团并未与Zr形成新的化学键，但对Zr-O键产生了一定影响，改变了其电子云分布，从而影响膜材料的性能，为研究膜的微观结构与性能关系提供了重要线索。

同步辐射SR-XRF分析

同步辐射SR-XRF研究元素分布：利用SR-XRF对ZrSS膜中Zr元素进行面分布和线分布分析。结果显示，Zr元素在ZrSS膜的表面和横截面几乎均匀分布，而在PAN膜的表面和横截面未检测到Zr元素。这充分证明了ZrSS纳米复合材料有效减少了ZrO₂纳米颗粒在膜聚合物基质中的团聚现象，使得Zr元素能够均匀分散在膜中，有助于提高膜的性能稳定性。

同步辐射SR-XRF分析膜制备及性能关联：Zr元素的均匀分布是ZrSS膜制备成功的重要标志之一，这种均匀分布与膜的性能密切相关。均匀分布的Zr元素可以使膜在处理废水过程中，各部分都能充分发挥其作用，提高膜的分离效率和抗污染性能，为解释膜的性能差异提供了有力依据。

同步辐射SR-FTIR分析

同步辐射SR-FTIR确定化学基团存在与变化：同步辐射傅里叶变换红外光谱（SR-FTIR）用于分析ZrSS纳米复合材料和膜中的化学基团。在ZrSS纳米复合材料的光谱中，出现了对应于酰胺 I和C-OH伸缩振动的新峰，证实了丝胶成功接枝到ZrO₂纳米颗粒表面。同时，这些峰的位置与丝胶相比发生了蓝移，表明ZrO₂与丝胶之间形成了氢键，改变了化学基团的振动特性。

同步辐射SR-FTIR监测膜表面化学变化：同步辐射MID-IR映射显示，酰胺 I功能基团仅在ZrSS膜表面均匀分布，这不仅说明了ZrSS纳米复合材料在膜中的均匀分散情况，还为研究膜表面与污染物的相互作用提供了线索。经过多次过滤循环后，通过SR-FTIR检测发现膜表面的酰胺 I基团分布和浓度保持稳定，证明了ZrSS纳米复合材料在膜中的稳定性。

同步辐射技术凭借高亮度和高分辨率的特性，能够实现微观层面的精确分析，是传统方法难以实现的，它为理解材料性能、优化材料设计提供了关键依据，助力开发出更高效、更稳定的水处理材料。  

微观结构与成分精确分析：在研究各类膜材料时，可借助XRF、XANES和EXAFS等技术，精确测定材料中元素的种类、含量、分布以及化学态。比如对于新型纳米复合膜材料，能清晰分辨出不同纳米粒子在膜基质中的分布情况，以及元素在不同化学环境下的变化。

反应过程实时动态监测：在水处理过程中，许多反应瞬间发生且过程复杂。同步辐射技术可以实现对这些过程的实时动态监测。利用其时间分辨光谱技术，能够跟踪水中污染物在处理过程中的转化路径和反应速率。以光催化降解有机污染物为例，可实时观察催化剂表面的电子转移过程、中间产物的生成与消失，从而深入了解光催化反应机理，为优化光催化材料和反应条件提供有力支持。

同步辐射技术在水处理领域的应用，不仅推动了水处理技术的进步，更对水资源的可持续利用具有重要意义。通过开发高效的废水处理技术和材料，减少废水排放，实现水资源的循环利用，符合联合国可持续发展目标，为解决全球水资源短缺和环境污染问题做出贡献。