Het op heterogene fotokatalyse (HPC) gebaseerde Advanced Oxidation Process (AOP) is een milieuvriendelijke techniek voor het zuiveren van water van organische en biologische verontreinigende stoffen in milieusystemen. De algehele katalytische prestaties van de fotokatalysatoren zijn meestal afhankelijk van het opvangen van licht, de door foto's gegenereerde scheiding en overdracht van ladingsdragers, en de reactiviteit van het oppervlak.

Er zijn talloze onderzoeken die de voordelen van HPC voor waterbehandeling proberen te onderzoeken, maar de praktische implementatie ervan is om verschillende redenen beperkt. Deze omvatten lage efficiëntie, ingewikkelde fotoreactorontwerpen, hoge bedrijfs- en synthesekosten, fotokatalysatorvergiftiging en snelle elektron-gat-recombinatie.

Om deze problemen te overwinnen heeft een samenwerking tussen de academische wereld en industriële partners een systeem geëvalueerd waarbij zeer georganiseerd nanoporeus fotokatalysatormateriaal synergetisch wordt gebruikt met zeer efficiënte UVA-LED's, dunne waterfilm en waterwassing. Hun werk werd gepubliceerd in het tijdschrift Industrial Chemistry &Materials .

"Het doel is om eindelijk een fotokatalytische reactor te hebben die energiezuinig is, eenvoudig van ontwerp is en gemakkelijk op te schalen is op basis van de toepassing", legt John B Hayden van Waterdrape LLC (uitvinder) uit, zelfs na decennia van onderzoek en duizenden gepubliceerde onderzoeken artikelen, is er nog steeds een enorme kloof tussen veelbelovend onderzoekswerk en de industrialisatie van technologie.

De meeste fotokatalytische reactoren maken gebruik van nanopoedermaterialen die inherente beperkingen hebben. Op laboratoriumschaal is het eenvoudig om het nanomateriaalpoeder te centrifugeren na de fotokatalytische oxidatie van de verontreinigende stof. Op grote schaal, waar duizenden liters water moeten worden behandeld, wordt het echter een uitdaging om zoveel poedergebaseerde fotokatalysator in het water te doseren en er vervolgens voor te zorgen dat dit allemaal wordt uitgefilterd voordat het behandelde water weer in het milieu wordt weggegooid. .

Deze op slurry gebaseerde fotokatalytische reactoren zijn doorgaans energie-inefficiënt en gevoelig voor katalysatorvervuiling of foto-aggregatie. We hebben een geïmmobiliseerde fotokatalysator gebruikt die rechtstreeks op een titaniumsubstraat is gegroeid, waardoor ultrafiltratie niet meer nodig is en de fotokatalysator mechanische stabiliteit krijgt.

Dunne waterfilms en waterwassing hielden de fotoreactor verzadigd met zuurstof, waardoor de recombinatie van elektron-gaten werd verminderd. De fotoreactor is getest voor toepassingen in de echte wereld, zoals het reinigen van bubbelbaden zonder chemicaliën.

Er werd een twee maanden durend experiment uitgevoerd op een intensief gebruikte hot tub met een watervolume van 1200 liter zonder toegevoegd chloor, broom, ozon, enz. Er werd geen toename van de totale organische verbinding (TOC) en het chemische zuurstofverbruik (CZV) waargenomen. gemeten, wat aantoont dat de fotokatalytische reactor in staat was de organische en biologische entiteiten die het water binnendringen volledig te oxideren.

Vooruitkijkend hopen het bedrijf en de onderzoekers dat hun werk verder zal helpen bij de vooruitgang van milieuvriendelijke technologieën voor waterbehandelingstoepassingen. Het eenvoudige ontwerp en de schaalbaarheid van de fotoreactor, gecombineerd met zeer stabiele, energiezuinige en duurzame UVA-LED's, bieden een technologie die klaar is om zijn uiteindelijke doel van industriële toepassingen te bereiken.

Het team doet onderzoek naar het verbeteren van de prestaties van de technologie die effectief blijkt te zijn in verschillende wateromstandigheden, waarbij de nadruk vooral ligt op de ionische interferentie in de zoute omgeving. Ze onderzoeken ook het vooruitzicht om deze verder verbeterde technologie voor geavanceerde oxidatieprocessen (AOP) te gebruiken voor de vernietiging van PFAS (forever chemicaliën).

Meer informatie: Sapanbir S. Thind et al, Een zeer efficiënt fotokatalytisch systeem voor milieutoepassingen op basis van TiO₂ nanomaterialen, Industriële chemie en materialen (2023). DOI:10.1039/D3IM00053B

Aangeboden door Industrial Chemistry &Materials