利用薄层平面催化板对城市废水进行太阳能光解反应以生产氢气

《Advanced Functional Materials》：Hydrogen Production by Solar Photoreforming of Urban Wastewaters in Thin-Layer Flat Catalytic Panels

城市污水在Pt/TiO?光催化剂作用下的太阳能光解反应证实可同步生产氢气和降解有机物。实验室实验表明进水（Influent）氢产量最高（>1500 μmol/gcat?1），次级污泥（Sludge-2）矿物化程度更优，但复杂有机物（如酚类、有机酸）抑制氢气生成。户外薄层光反应器在27天连续运行中，COD降低24.2%，pH稳定趋中性，气体产量与太阳辐照度（600–900 W/m2）显著正相关。该技术验证了无分离步骤的固定化催化剂在规模化处理真实城市污水中的可行性，为废水资源化提供新路径。

　　本研究探讨了通过太阳能光催化反应技术，同时实现氢气生产与有机污染物去除的可行性。该技术利用了Pt/TiO?光催化剂，其在实际城市污水处理厂的废水处理过程中展现出良好的应用前景。实验首先在实验室规模的批次反应体系中进行，使用不同阶段的污水样本（包括进水、初级污泥和最终污泥）进行测试，并在紫外光和模拟太阳光下观察到了氢气和二氧化碳的生成。结果表明，氢气的生产效率在不同废水类型中呈现出显著差异，进水样本的效率最高，其次是初级污泥，而最终污泥的效率最低。在紫外光照射下，3小时内氢气产量超过了1500 μmol g?1_cat，这显示出Pt/TiO?光催化剂在紫外光条件下的高效性。

为了进一步验证该技术在实际环境中的适用性，研究团队在户外搭建了一个预试点规模的平板太阳能反应器，其光催化剂层厚度为4–30 μm，覆盖密度约为7 g m?2。该反应器在自然阳光下连续运行了近一个月（27天），总照射时间约为160小时。实验过程中，即使是在秋季（纬度41.1°北），光照强度仅为600–900 W m?2的情况下，仍然能够持续生成气体，并且气体产量与太阳辐射强度保持高度相关。这说明该技术在自然光条件下具有良好的稳定性和可持续性。同时，实验还观察到污水中的化学需氧量（COD）和pH值持续下降，表明有机物得到了有效降解。而电导率则略有上升，这可能与复杂有机物的分解形成带电中间产物有关。

在实验室中，研究人员对不同废水类型进行了深入分析，发现COD含量与氢气产量之间存在非线性关系。虽然理论上有机物浓度越高，氢气产量可能越高，但实际结果却显示出相反的趋势。这主要是由于不同废水中的有机物性质差异较大，例如最终污泥中富含难降解的有机酸（如乙酸、丙酸和丁酸），这些物质在光催化反应中难以被有效分解，从而降低了氢气的生成效率。相比之下，进水和初级污泥中的有机物成分较为简单，更容易被光催化剂分解为氢气和二氧化碳，因此表现出更高的反应活性。

为了确保光催化剂在反应器中的稳定性，研究团队采用了无粘合剂的涂布工艺，将Pt/TiO?光催化剂均匀地覆盖在反应器的内表面。通过扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDS）分析，证实了光催化剂层的连续性和均匀性。此外，该反应器的设计采用了可调节的倾斜支架，以优化太阳光的照射效果，并通过循环系统将反应后的气体和液体分离，确保了反应过程的可控性。实验过程中，光催化剂未发生明显脱落，这在没有使用任何粘合剂的情况下显得尤为突出，表明其在实际应用中的耐用性。

在户外实验中，研究人员对实际城市污水样本进行了处理，观察到COD值在连续27天的光催化反应过程中呈现下降趋势，最终从初始的902 mg L?1降低至686 mg L?1。同时，pH值也有所下降，表明污水中的有机物被逐步氧化并释放出酸性物质。然而，电导率则呈现上升趋势，这可能与有机物分解过程中产生的带电中间产物有关。此外，氢气和二氧化碳的产量与太阳辐射强度之间存在明显的相关性，尤其是在太阳辐射最强的时段，如正午时分，气体产量显著增加。

值得注意的是，在光催化反应过程中，尽管实验条件为厌氧环境，但并未观察到藻类、污泥或生物膜的形成，这表明该反应器能够有效抑制生物活动，避免二次污染。同时，研究人员通过高效液相色谱（HPLC）和气相色谱（GC）对反应产物进行了定量分析，发现乙酸和少量甲酸在反应初期被持续降解，而二氧化碳的生成则主要来源于有机物的矿化过程。这些结果不仅验证了光催化反应的有效性，还为未来在实际污水处理厂中推广该技术提供了科学依据。

本研究的创新点在于，首次将Pt/TiO?光催化剂以薄膜形式固定在平板太阳能反应器中，用于城市污水的光催化反应。与传统的悬浮式反应系统相比，这种固定式设计避免了光催化剂的分离和回收问题，提高了系统的操作便利性和经济性。此外，实验结果表明，该反应器能够在较长时间内保持稳定运行，显示出其在规模化应用中的潜力。因此，这项研究不仅为绿色氢气生产提供了一种新的途径，也为污水处理技术的革新带来了重要启示。通过将太阳能转化为化学能，该技术能够在不依赖额外能源输入的情况下，实现污水的净化和氢气的回收，具有显著的环境和经济价值。

综上所述，这项研究展示了太阳能光催化反应技术在城市污水处理和绿色能源生产中的双重优势。通过优化反应器设计和选择合适的光催化剂，研究人员成功实现了在实际污水样本中同时进行氢气生成和有机污染物去除。尽管在某些情况下，如最终污泥的处理，氢气产量较低，但整体来看，该技术在多种废水类型中均表现出良好的适应性和应用前景。未来的研究可以进一步探索不同废水成分对反应效率的影响，以及如何通过改进催化剂结构和反应条件来提高氢气产量。此外，扩大反应器的规模和提高其运行效率，将是推动该技术在实际污水处理厂中应用的关键步骤。