Table of Contents

שילוב של תהליכי Photocatalytic במערכות טיהור מים מודרניים

טיהור מים עומד כאבן הפינה של בריאות הציבור, ניהול סביבתי, ומבצעים תעשייתיים.במשך עשרות שנים, שיטות קונבנציונליות - כלור, אוזון, סינון פחמן מופעל, והפרדה קרום - הסירו ביעילות פתוגנים ומזהמים מזיקים, עם זאת, גישות אלה כרוכות לעתים קרובות צריכת אנרגיה גבוהה, חומרים כימיים או יעילות מוגבלת נגד חומרים מתעוררים כגון תרופות, סריקות ניתוחי ראייה מתקדמת, וטכנולוגיות מיקרוסקופיות, כגון מזהמים, כגון מזהמים מתקדמים, בדיקות אלקטרוליטיות, בדיקות אופטיות, וטכנולוגיות טיפול.

מימון של photocatalysis בטיפול במים

(צילום: צילום הוא תגובה כימית מושרה אור המתרחש על פני השטח של חומר מוליכים למחצה. כאשר תמונה עם אנרגיה שווה או גדול יותר פער הלהקה של זרז נספג, אלקטרונים נרגש מהלהקה של valence Band to the Conduction, יצירת אלקטרון-holesto-offants אפילו לנטרל מים, שבו הם משתתפים בתגובת אלקטרונס מתמוססת חמצן:2ftic).

יעילות photocatalysis תלויה במספר גורמים: אנרגיית הפער של הלהקה, פני השטח, הקריסטליניות, ויכולת לדכא את ה- אלקטרונים-hole recombination; המקור האור (UV או גלוי); ריכוז החמצן המתמוסס; pH מים; ואת נוכחות של חומרים מפרשים קרינת אלקטרו-חמצני (Titanium דו-חמצני:02FLT:1) היה ה-מידה להפחתה של חומרים כימיים, אך ורק להפחתה נמוכה (אוקסיבייה).

חומרים פוטו-טקליטיים מרכזיים ונכסים שלהם

בחירת photocatalyst הנכון הוא קריטי עבור ביצועי המערכת.חומרים הבאים מייצגים את המועמדים המלומדים ומבטיחים ביותר לטיהור מים.

טיטניום די תחמוצת (TiOveFLT:0)2FreaveLT:1

TiOteauFLT:0.2oriFLT:1 נשאר מקור העבודה של טיפול במים פוטו-קטליטיים.הוא קיים בשלושה שלבים גבישיים: אנזים, rutile, ו- brookite.Annaase מציג את הפעילות הפוטקטית הגבוהה ביותר בשל מבנה הלהקה הנוח שלה ונכסים על פני השטח.

⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

(הופנה מהדף ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

חומרים המבוססים על Graphene ו- Carbonaceous

(ג) והורדת תחמוצת הגרפן (rGO) יש ניידות אלקטרונים יוצאת דופן ואזורי פני השטח גדולים.כאשר בשילוב עם TiOveFLT:0.2FLT:1, הם פועלים כמקבלי אלקטרון, צמצום דרמטי של recombination ושיפור שיעורי הפחתת photocatalytic מופעל גם כן על ידי חומרים מורכבים כגון שיפור המודעות של חומרים אורגניים, תוך התמקדות בהם ליד אתרי פחמן-FIRDIRSTIRE:

Metal Oxides ו-Sulfides Beyond TiigorOFLT:02033FLT

(ב) ⁇ (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

חומרים מתעוררים: Perovskites ו MOFs

(ב) ⁇ (למשל, SrTiOteauFLT:0.303303030303030330303303303FLT 3) ומסגרות אורגניות מתכת (MOFs) נמצאים בגבול המחקר. Perovskites מציעים פערי טונה ויציבות גבוהה, בעוד MOFs מספקים אזורי פני שטח גבוהים ויכולת לשלב תמונות בשלב מוקדם של טיהור.

תגובות ל- Photocatalytic Water Purification

השילוב המוצלח של photocatalysis לטיפול במים תלוי לא רק בזרז אלא גם בעיצוב כור. כורים יעילים למקסם את ניצול האור, להבטיח מגע חד-מנועי-פולטנטי, ומאפשר התאוששות זרז או אי-יציבות.

תגובה ישירה

בכורות סלוריות, חלקיקים פוטו-קטליאסט מושעה במים, מתן שטח משטח גבוה ומגע אינטימי עםמזהמים.השעיה מוארת על ידי מקורות אור חיצוניים או שקועים. Agitation (mechanical או באמצעות aeration) שומר את החלקיקים מפוזרים. כורים סליאוריים הם פשוטים ויעילים למחקרים בקנה מידה מעבדה, אבל בפני אתגרים בזרימה והחלמה לאחר טיפול Centifreation, או סגסוגת, אך הם משתמשים.

תגובות Catalyst

כדי להימנע משיקום זרז, photocatalysts ניתן לספוג על substrates כגון סיבים זכוכית, מונוליטיות קרמיקה, מלתות פלדה אל-חלד, סיבים אופטיים, או membranes פולימריים.המים זורמים על פני הסרט אופטימיזציה זרז מטבול, אשר הוא מזועזע על ידי מערכות קירור קבוע, נוזל-מחוסן, לעומת ציפויים יעיל של נפיחות שטח.

תגובות Photocatalytic Membrane (PMRs)

PMR משלב photocatalysis with membrane filtration, המציעה השפלה והפרדה בו זמנית.ה membrane ניתן להיות שקוע במגרש photocatalytic (למשל, TiOphalLT:02reaFLT:02pherph 1 השעיה) או מכוסים עם זרז עצמו.

תגובות סולריות

הרהור של אור השמש עבור photocatalysis הוא גישה בת קיימא. שני סוגים עיקריים משמשים: חומרים צמחיים מורכבים (CPCs) וכורים שאינם ריכוז שטוחים של לוח שטוח. CPCs להתרכז דיפוזה וקרינת השמש ישירה על צינורות שקוף המכילים את זחלי תרופות שקוף, השגת שפעת גבוהה ללא מעקב השמש.

שילוב עם מערכות טיפול במים קיימות

Photocatalysis הוא לעתים רחוקות פרוס תהליך עמידה; זה בדרך כלל משולב רכבות טיפול רב-barrier. נקודות שילוב משותף כוללים:

שלב טיפול מוקדם

photocatalysis ניתן להציב לפני osmosis הפוכה (RO) או ננומטרה כדי degradants (חומר אורגני טבעי, ביופוחיות) אשר אחרת ימחקו membranes. על ידי צמצום העומס האורגני, photocatalysis מרחיבה תוחלת חיים של membrane ולהפחית את תדירות ניקוי.זה גם הופך תרכובות רפה לתוך צורות ביו-מגרד יותר.

טיפול פולני

לאחר טיפול ביולוגי או כימי קונבנציונלי, כורי פוטו-קטליטי יכול לשמש צעד מלוטש להסרת סמנים כמו תרופות, מוצרי טיפול אישיים, וחיטוי לוואי.זה מבטיח כי פענוח עומד בסטנדרטים של שחרור מחמירים או דרישות שימוש חוזר.

מערכות היברידיות עם AOPs אחרים

שילוב photocatalysis עם אוזון, sonolysis, או תהליכים פנטון יכול ליצור אפקטים סינרגטיים. לדוגמה, photocatalysis מייצרת מימן peroxide ב situ, אשר יכול דלק תגובות פנטון.אוזון יכול להיות מופעל על ידי photocatalysts כדי לייצר רדיקלים נוספים. אלה היברידי AOPs משפרים את ההידרדרות הקינטיקה ולהרחיב את טווח של חומרים מזיקים לטיפול.

מערכות משק בית ומערכת מבוזרת

יחידות פוטו-קטליטיות בקנה מידה קטן מפותחות עבור שימוש נקודה (POU) ויישומים נקודתיים (POE) ביישומי ®.אלה בדרך כלל משתמשים ב-UV-LED כמקור האור ו- tmobilized TiOFLT:0203FLT:1 על מצע תת-קרקעי.הם יכולים להשתלב בפאקים במטבח, מים ניידים, או תחנות טיהור קהילתיות, המציעות כימיות או פתרון מופחת לאסון.

ביצועים ויישומים: Case Studies

מחקרים רבים הראו את יעילות הטיפול במים פוטו-קטליטיים על פני מגוון רחב של contaminants.

  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0Microbial Inactivation: חיקוי 1:1 ; Photocatalysis הוא יעיל מאוד נגד חיידקים (E. coli, Legionella), וירוסים (MS2, rotavirus), ופרוזוה (Cryptosporidium). inactivation שלם ניתן להשיג בתוך דקות עם מנה UV נאותה.
  • (FLT:0) Industrial Dyes ו- Phenolic Compounds:FLT:1 פסולת טקסטיל המכיל צבע תגובתי (למשל, methylene כחול, rhodamine B) ניתן decolorized ומינרליים באמצעות photocatalysis, לעתים קרובות outperforming כימי קונבנציונלי.
  • (FLT:0) , 000 ⁇ ⁇ : ⁇ 1) תהליכים פוטו-קטליטיים הוכחו לניתוק מיקרופלסטיק (למשל, פוליאתילן, פוליסטיילריאן) על ידי פירוק שרשראות פולימרים, אם כי מינרליזציה היא איטית ודורשת מחקר נוסף.

כמה מתקנים בקנה מידה מלא קיימים.לדוגמה, פלאטאפורה סולרית דה אלמריה בספרד מפעילה צמח פוטו-קטליטי סולארי לטיפול במים פסולת בסין, צמח טייס המשלב photocatalysis עם filtration מטפל צבע טקסטיל bletluent ב 10 m3/h. פריסות כאלה מאמתות את יכולת הסקאלה של הטכנולוגיה.

אתגרים ומגבלות

למרות הבטחתו, טיפול במים פוטו-קטליטי ניצב בפני כמה מכשולים שיש להתגבר עליהם לאימוץ נרחב.

Catalyst Recovery and Reuse

(ב) במערכות של זרזים בגודל ננו הוא אנרגיה-מחדשת, בעוד שפוטקטקטאליסיסטים מגנטיים (למשל, FeveFLT:0303303igFLT:1OFLT:2403030303303033030330330330303303303303GIRLT:2FLT 3:2FLT 3, אך לעתים קרובות פחות ממגבלות על פני השטח.

פעילות אור

רוב photocatalyst המסחרי דורשים אור UV, אשר מהווה רק -5% של קרינה סולארית.פיתוח זרזים המשתמשים ביעילות בספקטרום הנראה לעין (45% של אנרגיה סולארית) נשאר יעד מחקר גדול.

תגובה ל Scaling and Light Distribution

עיצוב כורים המספקים הפצה אחידה אור בכל נפח גדול מאתגר.חדירה לאור מוגבלת (בדרך כלל כמה סנטימטרים עבור מערכות סלוריות) ספיגת Photon על ידי הזרז עצמו (shielding) יכול להפחית את היעילות. עיצובים מתקדמים באמצעות סיבים אופטיים, לוחיות קלילות, או מקורות מרובים נמצאים תחת פיתוח, אך להגדיל את המורכבות.

השפעות מטריקס

מים טבעיים מכילים ions (bicarbonate, chloride, nitrate), מומס חומר אורגני, ופוחיות, אשר יכול scavenge רדיקלים או לחסום אור. Turbidity מעל 5 NTU להפחית באופן משמעותי את יעילות photocatalytic. Pre-filtration או התאמת הכימיה של מים עשוי להיות הכרחי.

עלויות ואנרגיה

למרות שפוטקטאליות יכולה להשתמש באור השמש, מקורות UV מלאכותיים עדיין לצרוך חשמל.העלות של ייצור זרז, ייצור כורציה ותחזוקה חייב להיות תחרותי עם שיטות מבוססות כגון UV / HIRFLT:02earFLT:1OFLT:2033FLT:2FLT 32033 או השמנה.

כיוונים עתידיים וחדשנות

מאמצי המחקר מתמקדים במגבלות הנוכחיות ודוחפים טיפול במים פוטו-קטליטיים לבשלות מסחרית.

תגית: Catalyst Materials

שני חומרים חד-ממדיים (graphene, MoSFLT:0.2033FLT) ו- MXenes (ה-atom זרזים חד-ממדיים) מציעים שליטה חסרת תקדים על אתרים פעילים. Defect Engineering (למשל, vacancies ב- TiOreaFLT:2FLT 3: 3) יכול לשפר את ספיגת האור הנראה.

Photoelectrocatalysis (PEC)

החלת הטיה חיצונית קטנה על פני תמונה וקטודה יכול לדכא את השיקום ולהניע הן את התגובות חמצון והן את התגובות ההפחתה בו זמנית. מערכות PEC יכולות להשיג תשואה קוונטית גבוהה יותר לייצר מימן כתוצר משותף, הוספת ערך לטיפול במים.

Machine Learning and Process Optimization

מודלים בינה מלאכותית משמשים לחיזוי שיעורי ההשפלה photocatalytic המבוססים על תכונות זרז, כימיה מים, ותנאי הפעלה.זה מאיץ גילוי חומרי ועיצוב כור, המאפשר פתרונות מותאמים עבור contaminants ספציפיים.

שילוב עם אנרגיה מתחדשת

כורים פוטו-קטליטיים עם לוחות פוטו-וולטאיים סולאריים יכולים לכפות UV-LEDs, יצירת יחידות טיפול אוטונומיות לאזורים מחוץ ל-grid.מערכות אחסון אנרגיה (מסע בין כוכבים או מימן) יכולות לאפשר הפעלה 24/7.

סטנדרטים והסכמה רגולטורית

עבור photocatalysis להיות מאומצת בטיפול במים עירוניים, זה חייב לעבור אימות רגולטורי (למשל, ארה"ב EPA, הנחיות WHO). שיטות בדיקה סטנדרטיות וערכת ביצועים מפותחים כדי להשוות מערכות שונות ולהבטיח בטיחות בריאות הציבור.

מסקנה

תהליכי Photocatalytic מייצגים גישה טרנספורמטיבית לטיהור מים, המציעה את היכולת למינרלים ספקטרום רחב של contaminants אורגניים ביולוגיים ללא זיהום משני.התקדמות במדעי החומרים - מ doped TiOFLT:02FLT:1 כדי גרגרי גרפן ו perovskites - הרחיבו את טווח מקורות האור היעיל, בעוד החידושים יש שיפור יכולת ושילוב מעשי עם גלקסיות אחרות, כמו התעמלות, כמו התעמלות, כמו חיישנים מסורתיים, כמו התעמלות, סימולציה השמש, כמו , אינטגרטיבית, אינטגרטיבית, אינטגרטיבית, , אינטגרטיבית, כמו אינטגרטיבית, אינטגרטיבית, אינטגרטיבית, כמו אינטגרטיבית, .

עם זאת, עבודה משמעותית נותרה, יכולת מחקר כלכלית בקנה מידה מלא, יציבות זרז לטווח ארוך, והתאמה למגוון של מערכי מים יש להוכיח באמצעות פרויקטים נוספים של פיילוט והדגמה, שכן הביקוש העולמי לצמצום מים נקיים ולתקנות על מנת להגביר את המזהמים הבאים, את התפקיד של מערכות פוטו-טקליטיות: LTF1Ficustivation II: ELTFeration for the Climateation and Industry Research, 2.