Forskere konstruerer et højeffektivt fotokatalytisk system baseret på titaniumdioxid nanomaterialer

Den heterogene fotokatalyse (HPC) baserede Advanced Oxidation Process (AOP) er en miljøvenlig teknik til at rense vand fra organiske og biologiske forurenende stoffer i miljøsystemer. Fotokatalysatorernes overordnede katalytiske ydeevne afhænger normalt af lysindsamling, fotogenereret ladningsbærerseparation og -overførsel og overfladereaktivitet.

Der er talrige forskningsværker, der forsøger at udforske fordelene ved HPC til vandbehandling, men deres praktiske implementering er begrænset af forskellige årsager. Disse omfatter lav effektivitet, komplicerede fotoreaktordesign, høje drifts- og synteseomkostninger, fotokatalysatorforgiftning og hurtig elektron-hul-rekombination.

For at overvinde disse problemer har et samarbejde mellem den akademiske verden og industrielle partnere evalueret et system, hvor højt organiseret nanoporøst fotokatalysatormateriale anvendes synergistisk med højeffektive UVA LED'er, tynd vandfilm og vandskrubbe. Deres arbejde blev offentliggjort i tidsskriftet Industrial Chemistry &Materials .

"Målet er endelig at have en fotokatalytisk reaktor, der er energieffektiv, enkel i design og nem at skalere op baseret på applikationen," forklarer John B Hayden fra Waterdrape LLC (opfinder), selv efter årtiers forskning og tusindvis af publiceret forskning artikler, er der stadig en massiv kløft mellem lovende forskningsarbejde og industrialiseringen af ​​teknologi.

De fleste fotokatalytiske reaktorer bruger nanopulvermaterialer, som har iboende begrænsninger. På laboratorieskala er det let at centrifugere nanomaterialets pulver efter den fotokatalytiske oxidation af forureningen. Men i stor skala, hvor tusindvis af liter vand skal behandles, bliver det udfordrende at dispensere så meget pulverbaseret fotokatalysator i vandet og derefter sørge for, at det hele er filtreret ud, før det behandlede vand kasseres tilbage i miljøet. .

Disse slambaserede fotokatalytiske reaktorer er typisk energiineffektive og tilbøjelige til katalysatortilsmudsning eller fotoaggregering. Vi anvendte en immobiliseret fotokatalysator dyrket direkte på et titaniumsubstrat, hvilket eliminerede behovet for ultrafiltrering og gav fotokatalysatoren mekanisk stabilitet.

Tynde vandfilm og vandskrubning holdt fotoreaktoren mættet med oxygen, hvilket reducerede elektron-hul-rekombination. Fotoreaktoren blev testet til anvendelse i den virkelige verden, såsom rengøring af boblebade uden kemikalier.

Et to måneder langt eksperiment blev udført på et stærkt brugt spabad med en vandvolumen på 1200 L uden tilsat klor, brom, ozon osv. Der var ingen stigning i Total Organic Compound (TOC) og Chemical Oxygen Demand (COD) målt, hvilket viser, at den fotokatalytiske reaktor var i stand til fuldstændigt at oxidere de organiske og biologiske enheder, der kommer ind i vandet.

Når vi ser fremad, håber virksomheden og forskerne, at deres arbejde yderligere vil hjælpe med at fremme miljøvenlige teknologier til vandbehandlingsapplikationer. Fotoreaktorens enkle design og skalerbarhed ledsaget af meget stabile, energieffektive og langtidsholdbare UVA-LED'er giver en teknologi, der er klar til at nå sit ultimative mål med industrielle applikationer.

Holdet udfører forskning i at forbedre ydeevnen af ​​teknologien, der viser sig effektiv under forskellige vandforhold, hovedsageligt med fokus på ionisk interferens i saltvandsmiljøet. De undersøger også muligheden for at bruge denne yderligere forbedrede avancerede oxidationsproces (AOP) teknologi til at ødelægge PFAS (for evigt kemikalier).

Flere oplysninger: Sapanbir S. Thind et al., Et højeffektivt fotokatalytisk system til miljøanvendelser baseret på TiO₂ nanomaterialer, Industriel kemi og materialer (2023). DOI:10.1039/D3IM00053B

Leveret af Industrial Chemistry &Materials