흐름과 결합된 유기 분해를 위한 TiO2 나노튜브 전극

npj Clean Water 5권, 기사 번호: 7(2022) 이 기사 인용

2870 액세스

4 인용

1 알트메트릭

측정항목 세부정보

기수를 효과적으로 처리하기 위해 PEC(광전기화학) 산화 및 FCDI(유동전극 용량성 탈이온화) 이중 시스템을 연구했습니다. 전기 화학적으로 자체 도핑된 TiO2 어레이(청색 메쉬/청색 플레이트 TiO2 나노튜브 어레이(BM-TNA 및 BP-TNA))가 있는 두 개의 양극 전극을 600°C에서 어닐링하여 제작하고 수처리 시스템에 적용했습니다. 구체적으로, BM-TNA는 다중 광원(UV-A, -B, -C) 하에서 더 낮은 전기저항과 우수한 성능을 확인했다. 또한 이 시스템은 강력한 산화 활성 산소종(ROS)을 생성했는데, 이는 비스페놀-A, 4-클로로페놀, 시메티딘, 설파메톡사졸, 벤조산, 페놀, 니트로벤젠, 아세트아미노펜 등 8가지 유기 오염물질의 분해를 통해 평가되었습니다. 넓은 pH 범위에서 분해 효율이 안정적이었고, 장기간 작동을 통해 BM-TNA 전극의 내구성이 입증됐다. 동시에 주요 운영 매개변수(전극 질량 부하 및 인가 전압)를 통한 FCDI 공정 최적화를 통해 탁월한 담수화 성능과 특정 에너지 소비(SEC)를 달성했습니다. 특히, 질량 로딩이 증가하면 안정적인 전하-퍼콜레이션 경로 형성을 통해 전하 수송이 향상되어 용액 전도도가 향상됩니다. 마지막으로 유기기질의 완전한 분해와 기수 담수화의 성공을 통해 이중 시스템(PEC-FCDI)의 타당성을 검증하였다.

전 세계적으로 물 부족 현상으로 인해 담수 수요가 증가하면서 해결해야 할 시급한 과제가 되었습니다1,2. 지구상의 다양한 수역 중 5~6%만이 직접적으로 사용할 수 있는 담수를 포함하고 있으며 나머지는 대부분 바닷물로 구성되어 있습니다3,4. 이러한 상황에서 담수의 안전한 공급을 확보하기 위해 염수를 처리하는 데 점점 더 많은 노력이 기울여지고 있습니다5,6. 식염수는 일반적으로 총 용존 고형물(TDS)로 표시되는 염분 농도를 기준으로 분류됩니다. 바닷물과 기수는 각각 >35,000 및 1000~10,000 mg L−1의 TDS 값을 갖습니다7. 이 중 기수에는 설파메톡사졸(SMX), 비스페놀-A(BPA), 아세트아미노펜(AMP), 4-클로로페놀(4CP), 니트로벤젠(NIB), 벤조산(BA)과 같은 유기 오염물질이 광범위하게 포함되어 있는 것으로 관찰되었습니다. , 페놀(PH) 및 시메티딘(CMT)은 대부분 다양한 폐수 발생원(예: 산업, 의료 및 양식장)에서 발생하는 것으로 추정됩니다8. 이러한 오염 물질은 수역 전체로 이동하여 수생생물에 심각한 교란(예: 유전적 변이 및 강한 저항성)을 일으키고9 소비 시 일반적으로 내분비 교란 물질로 작용하므로 인체에 부정적인 영향을 미칩니다10,11. 따라서, 음용수나 가정용으로 오염된 기수를 처리하기 위한 기술의 개발과 성공적인 적용은 필수적인 문제이다12.

RO(역삼투압), NF(나노여과) 등의 막담수화 공정이 수처리의 대표 기술로 부각되고 있다. 구체적으로 대표적인 해수담수화 공정으로는 해수 역삼투압과 기수 역삼투압(BWRO)이 널리 사용되고 있으며, 기수 처리에는 BWRO와 NF가 적용되고 있다. 따라서 NF 공정은 담수 공급을 보충하기 위해 기수에 크게 의존하는 지역에 광범위하게 도입됩니다. 그러나 NF 막은 1가 이온에 대한 거부가 부적절하고 2가 이온 및 TOC에 대한 성능은 유능할 수 있지만 유기물의 제거는 막 표면의 오염을 악화시키는 것으로 일반적으로 보고됩니다. 또한, NF 공정을 통한 유기 화합물 제거를 종합적으로 검토한 최근 연구에서는 광범위한 유기 오염물질(예: PH, NIB)이 공정을 통해 극히 낮은 거부율을 보이는 것으로 나타났습니다17. 이 기술의 전반적인 단점은 다음과 같습니다: (i) 칼슘 및 마그네슘 이온에 의한 스케일링, (ii) 부유 고형물 및 유기 물질에 의한 오염, (iii) 특정 유기 오염물질의 낮은 제거 효율, (iv) 압력에 따른 높은 유지 관리 비용 원동력18,19,20,21. 따라서, 흐름 전극 용량성 탈이온화(FCDI)와 결합된 광전기화학(PEC) 산화는 에너지 집약적이지만 부족한 기존 막 공정을 대체하기 위해 유기 오염물질 제거 및 담수화를 위한 효과적인 공정으로 도입되었습니다.

(k (UVB-PEC) 0.0269 ± 0.001 min−1) > (k (UVA-PEC) 0.0108 ± 0.0004 min−1). In contrast, degradation using the BP-TNA electrode equally annealed at 600 °C showed much lower results with the following reaction rates: (k (UVC-PEC) 0.0145 ± 0.0004 min−1) > (k (UVB-PEC) 0.0119 ± 0.0004 min−1) > (k (UVA-PEC) 0.0053 ± 0.0001 min−1). Significance of the novel BM-TNA catalyst was further confirmed through comparison with a similar BM-TNA electrode prepared at 450 °C (Supplementary Fig. 2). The novel electrode annealed at 600 °C exhibited greater mineralization efficiency, and the enhancement was distinguishable under all UV-A, B, and C lights. The measured energy consumption under UV-A, B, and C with a reaction time of 120 min was 0.035, 0.056, and 0.074 kWh, respectively./p> (k (PH) = 0.0381 ± 0.0028 min−1) > (k (CMT) = 0.0361 ± 0.0012 min−1) > (k (BPA) = 0.0291 ± 0.001 min−1) > (k (AMP) = 0.0270 ± 0.003 min−1) > (k (BA) = 0.0181 ± 0.0012 min−1) > (k (SMX) = 0.0173 ± 0.0002 min−1) > (k (NIB) = 0.0127 ± 0.0032 min−1). The PEC oxidation efficiencies, including aromatic compounds (such as electron-donating group (EDG) and electron-withdrawing group (EWG)) for BM-TNA catalysts exhibit different substrate specificities41,42. For instance, the phenolic compounds of EDG more easily released protons into the solution under •OH- induced oxidation, and were more susceptible to PEC anodization43,44. Specifically, the positive redox potential of 4CP exhibited faster degradation than PH (+0.86 VNHE for PH versus +0.8 VNHE for 4CP), which may contribute to the significant resistance against the oxidation45,46. In contrast, the EWG (i.e., BA and NIB) dynamically hindered the degradation of BA and NIB via benzene ring substitution24./p>

18 MΩ cm) produced from a Milli-Q water purification system was used to make the reagent solutions./p>

블로그

흐름과 결합된 유기 분해를 위한 TiO2 나노튜브 전극