Eldfasta organiska föroreningar, inklusive fenoler, perfluorerade föreningar och antibiotika, är rikligt förekommande i olika industriella avloppsvattenströmmar såsom kemiska, farmaceutiska, koks- och färgningssektorer, såväl som kommunala och inhemska källor. Dessa föroreningar utgör betydande hot mot ekologiskt välbefinnande och människors hälsa.
Kravet att uppnå fullständigt avlägsnande av organiska föroreningar från vatten och underlätta vattenåtervinning är avgörande för att förbättra miljökvaliteten och säkerställa hållbara ekonomiska och sociala framsteg. Att ta itu med det effektiva avlägsnandet av motsträviga organiska föroreningar i vatten är inte bara en fokuspunkt i forskning om miljömässig kemisk föroreningskontroll utan också en avgörande teknisk utmaning som begränsar återanvändning av industriellt avloppsvatten.
Avancerade oxidationsprocesser (AOP), särskilt heterogena AOP, ger starkt reaktiva syreämnen inklusive ·OH, ·O2 - , och ·SO4 - att oxidera organiska föroreningar under omgivande förhållanden, är tilltalande teknik för avloppsvattenrening för decentraliserade system. AOP:er behöver ofta överdriven energitillförsel (UV-ljus eller elektricitet) för att aktivera lösliga oxidanter (H2 O2 , O3 , persulfater), och därför krävs mer kostnadseffektiva AOPs snarast.
Tack vare enkel separation och utnyttjande av solljus håller heterogen fotokatalys på att bli en hållbar och lovande AOP-strategi för att hantera miljöfrågor.
Mycket använda oorganiska fotokatalysatorer uppvisar robust stabilitet och effektiva mineraliseringsaktiviteter. Men deras breda bandgap, som begränsar absorptionsintervallet för solljus, och låga adsorptionskapacitet för organiska föroreningar försämrar kollektivt den totala effektiviteten av fotonedbrytning av föroreningar.
Däremot organiska halvledare representerade av g-C3 N4 erbjuder fördelen med utökat spektrumanvändning och utmärkt adsorptionsförmåga på grund av deras höga yta och avsevärda π-π-stapling. Ändå hämmas deras användning av genereringen av Frenkel-excitoner med hög bindningsenergi vid ljusexcitering, vilket hindrar separationen av långlivade fotogenererade elektroner och håleffektivitet.
Den begränsade bärarseparationseffektiviteten minskar avsevärt fotonedbrytningsaktiviteten hos organiska fotokatalysatorer. De grunda valensbandpositionerna för dessa fotokatalysatorer begränsar också deras mineraliseringseffektivitet. Jämfört med etablerade avloppsvattenreningsmetoder som Fenton eller Fenton-liknande processer, uppvisar fotokatalytiska tekniker ofta låg reningskapacitet, vilket markant inte uppfyller industrialiseringskraven.
Baserat på relevanta vetenskapliga frågeställningar inom fotokatalytisk rening av avloppsvatten, sammanfattade nyligen ett forskarlag ledd av professor Yongfa Zhu från Tsinghua University, Kina, sina framsteg i nedbrytning av föroreningar med hjälp av organiska fotokatalysatorer för att driva på den praktiska implementeringen av fotokatalytisk vattenrening och fungerade som en referens för forskare inom detta område.
För det första utvecklade de nya supramolekylära och polymera organiska fotokatalytiska system för att öka effektiviteten i ljusutnyttjandet. Genom att modulera effekten av monomerstrukturen på energibandpositionen utökade de absorptionsomfånget till det nära-infraröda området och realiserade mineralisering under solljus.
För det andra avslöjade de rollen av dipoler och kristallin ordning för att modulera det inbyggda elektriska fältet, vilket möjliggör effektiv laddningsmigrering från bulk till yta, vilket avsevärt förbättrar nedbrytning av föroreningar och mineraliseringshastigheter.
Slutligen etablerade de ett nytt tillvägagångssätt för foto-själv-Fenton högflödesmineralisering av organiska föroreningar för att förbättra behandlingskapaciteten för fotonedbrytning och övervinna begränsningarna med Fenton-metoden. Det nya systemet kombinerar in situ H2 O2 generering genom fotokatalytisk redoxreaktion med in situ Fenton-reaktion synergistiskt, vilket uppnår högflödesmineralisering under synligt ljus utan ytterligare oxidanter, och därigenom höjer föroreningsmineraliseringen från 30 % till över 90 %.
Resultaten publicerades i Chinese Journal of Catalysis .
Mer information: Weixu Liu et al, Progress in wastewater treatment via organic supramolecular photocatalysts under sunlight irradiation, Chinese Journal of Catalysis (2023). DOI:10.1016/S1872-2067(23)64530-9
Tillhandahålls av Chinese Academy of Sciences
