Περιβαλλοντική αποκατάσταση και ανάκτηση ενέργειας από φυσικές μήτρες νερού και λυμάτων με ηλιακή φωτοκαταλυτική τεχνολογία
Τόσο το νερό όσο και η ενέργεια είναι βασικά ζητήματα αειφορίας που πρέπει να αντιμετωπιστούν. Για το σκοπό αυτό, η φωτοκατάλυση είναι επωφελής όχι μόνο για την επίσπευση της περιβαλλοντικής αποκατάστασης αλλά και για την παραγωγή ενέργειας.
Ωστόσο, η ανάπτυξη νέων λειτουργικών υλικών και η έλλειψη κατανόησης των επιρροών στη φωτοκαταλυτική αντίδραση εξακολουθούν να αποτελούν βασικά τεχνικά εμπόδια που εμποδίζουν την εμπορευματοποίηση της φωτοκαταλυτικής τεχνολογίας.
Οι τρισδιάστατες (3D) δομές νιτριδίου του άνθρακα επιτυγχάνουν παραγγελίες μεγαλύτερης εμβέλειας μεταξύ μεμονωμένων φύλλων νιτριδίου άνθρακα σε σύγκριση με το χύμα νιτρίδιο του άνθρακα και έχουν περισσότερο χώρο για μαζική μεταφορά ή αποθήκευση ηλεκτρονίων/ιόντων, αερίων και υγρών. Τέτοια ανώτερα χαρακτηριστικά δομής παρέχουν ευνοϊκή παγίδευση φωτός και αποτελεσματικό διαχωρισμό του φορέα φορτίου κατά τη διάρκεια της φωτοκαταλυτικής διαδικασίας. Επομένως, η κατασκευή τρισδιάστατου νιτριδίου άνθρακα με διατεταγμένη πορώδη δομή για την απομάκρυνση των αντιβιοτικών στο νερό είναι πολλά υποσχόμενη.
Σε πρακτικές εφαρμογές, η απόδοση φωτοκαταλυτικής εξάλειψης των ρύπων μπορεί να επηρεαστεί σημαντικά από τα φυσικά συστατικά του νερού που υπάρχουν παντού στο νερό, λόγω του σχηματισμού και της κατανάλωσης ισχυρά οξειδωμένων ριζών, της αλλαγής στις φυσικοχημικές ιδιότητες του φωτοκαταλύτη και των προτιμησιακών αντίδραση. Παράλληλα, η παραγωγή πράσινης ενέργειας (όπως το H2 ) από τα λύματα, που είναι επίσης μια ικανότητα των φωτοκαταλυτών, αντιμετωπίζει περαιτέρω το ζήτημα της βιωσιμότητας.
Για να γεφυρωθεί το χάσμα μεταξύ της θεμελιώδους κατανόησης και της πρακτικής εφαρμογής, σε μια μελέτη από τους How Wang, Yan Wu και Jia Wei Chew, κατασκευάστηκε ένας πολυμερικός αφρός νιτριδίου του άνθρακα (CNF) μέσω μιας προσέγγισης φουσκώματος ζάχαρης χρησιμοποιώντας χλωριούχο αμμώνιο ως παράγοντα φυσαλίδων για την απομάκρυνση των αντιβιοτικών τετρακυκλίνης (TC-HCl) και την ανάκτηση ενέργειας από φυσικές μήτρες νερού και λύματα σε πραγματικές μήτρες νερού (Εικόνα 1). Σε σύγκριση με τα τεχνητά λύματα, υψηλότερες αποδόσεις αποικοδόμησης του TC-HCl παρατηρήθηκαν στο νερό της βρύσης, το πραγματικό θαλασσινό νερό, το πραγματικό νερό της δεξαμενής, αλλά χαμηλότερες αποδόσεις στα φαρμακευτικά λύματα και το συμπύκνωμα αντίστροφης όσμωσης. Διάφοροι παράγοντες, όπως το pH του διαλύματος, τα είδη ιόντων και οι οργανικές ενώσεις (χουμικό οξύ και αλβουμίνη βόειου ορού) έπαιξαν ζωτικό ρόλο στη συνολική απόδοση του καταλύτη.
Η παρουσία μικροπλαστικών σε διάφορες συγκεντρώσεις επηρέασε επίσης τη φωτοκαταλυτική απομάκρυνση του TC-HCl. Το τμήμα C-N-C του TC-HCl ήταν η αρχικά αντιδραστική θέση για ισχυρή επίθεση οξειδωτικής ρίζας. Η ενέργεια του υδρογόνου ανακτήθηκε φωτοκαταλυτικά από φυσικές μήτρες νερού και λύματα με ταυτόχρονο καθαρισμό του νερού. Επιπλέον, για περαιτέρω βελτίωση της φωτοκαταλυτικής απόδοσης, η θερμοκρασία πύρωσης παρουσία NH4Cl μπορεί να βελτιστοποιηθεί, με το CNF-4 (πυρωμένο στους 550 °C) να αποδεικνύεται ότι έχει απόδοση αποδόμησης 1,84, 2,49 και 7,47 φορές από αυτή του CNF-2 ( 600 °C), CNF-1 (500 °C) και GCN (χωρίς NH4Cl), αντίστοιχα.
Αυτή η εργασία περιλαμβάνει νέα σύνθεση φωτοκαταλύτη μη μετάλλων τόσο για περιβαλλοντική αποκατάσταση όσο και για παραγωγή καθαρής ενέργειας, εξήγηση των υποκείμενων μηχανισμών μέσω πειραματικού χαρακτηρισμού και μαθηματικών μοντέλων, καθώς και μια πειραματική διερεύνηση των κυρίαρχων παραγόντων που επηρεάζουν τη φωτοκαταλυτική απόδοση σε πραγματικούς πίνακες νερού.
Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Ορατό φως αφαίρεση αντιβιοτικών τετρακυκλίνης και ανάκτηση ενέργειας υδρογόνου από φυσικές μήτρες νερού και λύματα από πολυμερικό αφρό νιτριδίου του άνθρακα, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Water Research . Αυτή η εργασία διεξήχθη από τους Hou Wang, Yan Wu, Wenguang Tu, Tong Xiao, Huixiang Ang, Jia Wei Chew από το Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο Nanyang στη Σιγκαπούρη, Ting Xiong και Xingzhong Yuan από το Πανεπιστήμιο Hunan στην Κίνα και Mingbao Feng από το Texas A&M University στις ΗΠΑ.
Αναφορά:
- Hou Wang, Yan Wu, Mingbao Feng, Wenguang Tu, Tong Xiao, Yue Liu, Huixiang Ang, Xingzhong Yuan, Jia Wei Chew. Απομάκρυνση αντιβιοτικών τετρακυκλίνης με βάση το ορατό φως και ανάκτηση ενέργειας υδρογόνου από φυσικές μήτρες νερού και λύματα με πολυμερικό αφρό νιτριδίου του άνθρακα. Έρευνα για το νερό, 2018, 144, 215-225. https://doi.org/10.1016/j.watres.2018.07.025.
