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          我所發展新型光催化與高級氧化耦合有機污水處理技術

           

            近日,我所節能與環境研究部廢水處理工程研究組(DNL0902組)孫承林研究員、衛皇曌研究員團隊與催化基礎國家重點實驗室李仁貴研究員等合作,發展了一種新型光催化水氧化和傳統催化過氧化氫濕式氧化(CWPO)耦合的技術,實現了有機污染物的高效去除,并將其應用于工業有機廢水處理中。

            將有機化合物未經處理直接排入水中,會對環境造成危害。CWPO是一種高級氧化技術,該技術采用過氧化氫做氧化劑,在反應過程中催化過氧化氫分解為氧化性更強的羥基自由基(·OH),進而將有機污染物氧化為小分子有機物,甚至直接將有機物礦化。CWPO技術在常溫常壓下即可反應,并且具有操作簡單、經濟環保等特點,在中低濃度的難生物降解有機廢水處理領域受到廣泛關注。但是該技術存在氧化劑H2O2利用率低,鐵離子循環困難等問題,使得體系成本和間接能耗較高,限制了其進一步大規模應用。

            本工作受到前期李燦院士團隊提出的“氫農場”策略(Angew. Chem. Int. Ed.,2020;Angew. Chem. Int. Ed.,2022)和晶面間光生電荷分離特性(Nature Commun.,2013;Energy Environ. Sci.,2014)工作的啟發,提出了光催化水氧化和CWPO耦合技術(Photo-CWPO),利用光生電子來實現Fe3+到Fe2+的還原,從而實現CWPO中鐵離子高效循環;同時,利用光生空穴來實現有機污染物的氧化降解,大幅降低耦合體系H2O2的使用量。研究發現,十面體BiVO4光催化劑被引入與CWPO耦合,受益于十面體BiVO4光催化劑高效的電荷分離效率和Fe3+到Fe2+的高效不可逆轉化,Photo-CWPO體系表現出遠高于單獨CWPO體系有機污染物分子降解效率,有效降低了Fe2+的使用量和鐵泥的排放。此外,本研究還發現H2O2可以經由BiVO4表面兩電子水氧化過程原位產生,進而與體系中Fe2+發生Fenton反應產生·OH,用于有機污染物分子降解中,進一步降低整個體系H2O2的使用量,從而降低處理成本。Photo-CWPO策略已在十余種有機污染物分子的降解中被驗證,表現出良好的普適性和穩定性。該策略的提出和驗證為有機廢水深度礦化處理提供了一條新的高效低成本技術路線。

            基于該研究工作,Photo-CWPO技術已經在實際工業廢水處理中得到放大應用,被應用于處理煤化工廢水、甲醇制烯烴廢水、偏二甲肼廢水等,表現出了良好的處理效果。目前,該技術正處于中試階段。

            相關研究成果以“Coupling Photocatalytic Water Oxidation on Decahedron BiVO4 Crystals with Catalytic Wet Peroxide Oxidation for Removing Organic Pollutions in Wastewater” 為題,發表在《應用催化B:環境》(Applied Catalysis B: Environmental)上。該工作的第一作者是我所503組博士后趙越和DNL0902組碩士研究生王一睆。上述工作得到我所創新基金、國家重點研發計劃、中科院青促會、國家自然科學基金等項目的資助。(文/圖 趙越、王一睆)

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