太阳能驱动的界面蒸发耦合光催化技术在水处理中的应用: 微型综述

文摘   2024-11-09 21:53   山东  
北京工业大学任家炜团队近期于Desalination(2024,592,118159)发表题目为"Applications of solar-driven interfacial evaporation-coupled photocatalysis in water treatment: A mini review"的文章。该文章第一作者为博士生田双超,通讯作者为北京工业大学建筑工程学院任家炜教授。

【研究亮点】

  • 总结了太阳能驱动界面蒸发(SDIE)和光催化过程的耦合机制

  • 回顾了耦合过程在海水淡化、污染物去除和消毒方面的应用

  • 讨论了耦合过程在绿色燃料生产方面的潜力

  • 提出了耦合工艺目前面临的挑战和未来的展望

【文章简介】

本文综述了太阳能驱动界面蒸发(SDIE)和光催化耦合过程在水处理中的机理和应用。SDIE耦合光催化不仅能有效解决全球水资源短缺问题,为人类提供清洁淡水,还能推动可再生能源的发展,促进能源的可持续利用。在海水淡化方面,耦合工艺收集的冷凝水中典型金属离子的浓度可降至小于 1 mg/L,符合饮用水质量标准。此外,耦合工艺对挥发性有机化合物 (VOC)、非挥发性有机化合物 (NVOC) 和细菌的降解效率超过 90%,从而防止了光热界面的表面污染,并通过防止非挥发性有机化合物进入蒸馏水来保护水质。在燃料生产方面,与单一光催化相比,耦合工艺可有效提高氢气、一氧化碳和甲烷等燃料的产量,将太阳能转化为可用或可储存的能源资源。总之,在耦合工艺中,SDIE 和光催化的作用不是独立的,而是相辅相成的,能有效提高水处理质量和能源利用率。

耦合工艺在水处理方面显示出巨大的潜力。但值得注意的是,耦合工艺仍处于学术阶段,缺乏工业应用基础。在未来的发展中,有必要重点开发新的耦合材料,使其具有更强的光吸收、光热转换和光催化活性。此外,将耦合工艺与太阳能光伏技术相结合,可以优化太阳能的有效利用。然而,耦合工艺也存在一些需要克服的缺点。例如,如何去除蒸发界面的无机盐污染、不同光催化剂和光热材料应采用哪种耦合形式、光催化过程中加入空穴清除剂是否会影响 SDIE 等问题都有待解决。本文旨在激发对耦合工艺的进一步探索,以解决其目前的局限性,并促进其早日实现工业化。

1. (a) 界面蒸发示意图;(b) 光催化剂的光催化过程;(c) 太阳能驱动的界面蒸发与光催化耦合。

2. 不同的耦合方法。(a) D 型耦合方法,用 MoS2纳米花装饰三维松果,设计出一种新型太阳能净水装置,用于产生淡水。(b) S 型耦合方法:将光催化材料 CdS 和光热成分 MoSe2同时分别嵌入多孔木质素化木材中。

3. 光热转换机制(a-d)和光催化机制(e-j)。(a) 电子-空穴产生/弛豫;(b) 质子加热;(c) 分子热振动;(d) /纳米结构材料的多重相互作用;(e) 有机污染物的光降解;(f g) 重金属离子的光降解;(h) 可光降解微生物(细菌、病毒、真菌等);(i) 光催化还原硝酸盐;(j) 光催化还原硝酸盐的反应机理和主要进展。 (j) 光催化硝酸盐还原生成氮/亚硝酸盐(红色)、氨(紫色)和氮氧化物(灰色)的反应机理和主要过程。

4. 不同的异质结结构类型。

5. 耦合工艺的净水效果。(a) 对金属离子的去除效果。(b) 使用 ZSAS-3 处理前后重金属离子浓度的变化。(c) 对非挥发性有机化合物的去除效果。(d) 对挥发性有机化合物的去除效果。(e) 对革兰氏阳性金黄色葡萄球菌和革兰氏阴性大肠杆菌的抑制作用。(f) 蒸发前后水的 pH 值。(g) 模拟海水中 MT-Ag2S/CAM 界面蒸发器表面的盐溶解过程。

6. 耦合工艺的制氢过程。(a) 光热-光催化制氢示意图。(b) 纤维素周围水分子类型示意图。(c) 木基水凝胶的制备和制氢过程。(d) 光热-光催化水蒸气产生过程和水蒸气催化为氢气和氧气的示意图。(e) 光催化 PA66/PPy/Cu2O 蒸发器的光热增强催化二氧化碳还原示意图。

7. 耦合过程的室外测试。(a) 户外蒸发器在自然阳光下的照片。(b) 记录的蒸发率和日照强度。(c) 原水和通过光催化和不通过光催化蒸发收集的水的 TDS TOC 浓度以及 3D-EEM 光谱 (d)(ef)装置在 8:00 19:00 时的照片。 g)一天中不同时间的产水率和水量。(h) 太阳能驱动界面蒸发和还原六价铬的室外一体化装置示意图。(i) 产水率和累积淡水产量的变化。(j) 六价铬的光-芬顿还原效率;插图显示不同照射时间下的六价铬溶液。(k) 室外实验中 Cr (Vl) 浓度的紫外可见吸收光谱图。

原文信息:

原文链接

https://doi.org/10.1016/j.desal.2024.118159

第一作者:

田双超 博士生

工作单位:北京工业大学建筑工程学院

邮箱地址:tsc18843228599@outlook.com

通讯作者:

任家炜 教授

任家炜, 北京工业大学校聘教授,博导,北京市高层次人才,北工大高层次人才。主要从事的研究领域有水处理与资源化,海水淡化等相关科研工作,具体研究方向包括太阳能界面蒸发与结晶,饮用水处理与膜工艺,尿液源分离与资源化,地下水重金属与污染物原位修复等。先后在Water ResearchAdvanced ScienceChemical Engineering Journal等国际行业顶刊发表SCI论文40余篇,出版国际专著章节2项,国家发明专利授权2项,团体标准1项。担任国际期刊脱盐《Desalination》青年编委。

工作单位:北京工业大学建筑工程学院

通讯邮箱:renjw@bjut.edu.cn

网址:

https://yanzhao.bjut.edu.cn/yanzhao_old/info/1126/6148.htm

本期编辑:任家炜(北京工业大学)

排版编辑:胡佳颀


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