连续模式下的先进太阳能光催化技术：通过H?O?增强对模拟废水和实际废水中有机污染物的去除效果

《Journal of Water Process Engineering》：Advanced solar photocatalysis in continuous mode: H 2O 2-enhanced removal of organic contaminants in simulated and real wastewater

光催化降解中，Fe-TiO?固定于聚苯乙烯上形成连续流太阳能系统，优化H?O?添加、光路长度和催化剂负载量，在自然光下连续运行8个月，表现出稳定的高效降解（TOC从21.5降至14.3 mg/L），H?O?显著提升降解速率（k_max从0.293增至1.313 h?1）。该系统通过光-Fenton协同作用增强自由基生成，降低光饱和阈值至130 W/m2，实现低能耗、可持续的水处理。

　　本文探讨了一种基于太阳能的连续流动光催化系统在水处理中的应用，特别是在有机污染物降解方面的可行性。研究聚焦于铁（Fe）掺杂的二氧化钛（TiO?）固定在聚苯乙烯（PS）上的催化剂，这种催化剂在批次和连续操作模式下都表现出良好的可重复利用性。研究以罗丹明B（RB）作为模型污染物，旨在评估该系统在不同环境条件下的稳定性以及其在真实废水中的适用性。虽然该系统在实验室条件下已经表现出显著的降解能力，但其在大规模应用和户外长期运行中的表现仍存在不确定性。因此，本文主要围绕如何优化系统性能、提升其适用性，并探讨其在实际水处理场景中的潜力。

研究首先通过批次实验优化了系统运行条件，包括H?O?的用量、添加方式、光程长度以及液固比。通过这些优化，系统在实验室条件下获得了显著的提升，如最大降解速率常数从0.293 h?1增加到1.313 h?1，同时半饱和辐照度从210 W/m2降低到130 W/m2。这些改善效果主要归因于光催化反应与表面绑定的光芬顿反应的协同作用。随后，研究在户外环境下进行了为期八个月的验证，表明该系统在不同太阳辐照度下能够保持稳定的性能。这为该技术的实际应用提供了有力支持。

在连续流动模式下，研究进一步评估了系统的可扩展性和可预测性。实验表明，在自然太阳光照射下，当太阳辐照度为700–900 W/m2时，系统能够在39分钟的停留时间内实现高达99.8%的RB去除率，并且显著降低了总有机碳（TOC）的浓度（从21.5 mg/L降至14.3 mg/L）。这一结果是首次展示基于固定Fe-TiO?的太阳能连续运行系统，展示了该技术在可持续水处理中的巨大潜力。

本文强调了传统水处理方法（如吸附）的局限性，即这些方法仅将污染物从水相转移到固相，而无法真正改变其化学结构，导致处理后的水仍可能含有有害物质。相比之下，光催化及其他高级氧化工艺（AOPs）能够实现污染物的完全矿化，包括对制药污染物和新兴污染物的高效去除。然而，光催化在实际应用中面临诸多挑战，例如TiO?的宽禁带宽度限制了其对可见光的响应，同时其纳米颗粒在处理后回收需要耗费大量能源。此外，反应动力学受污染物浓度、废水成分和共存离子的影响，这使得在工业规模上的应用面临一定的技术障碍。

为了克服这些限制，研究提出了一种使用Fe掺杂的TiO?作为催化剂的策略。Fe的引入不仅能够改善TiO?的可见光响应能力，还能促进电荷分离，从而提升催化效率。此外，Fe的原子半径与Ti相近，使其能够有效替代TiO?晶格中的Ti，这在温和条件下就能实现。这种掺杂策略使得TiO?在可见光下具备更高的活性，同时避免了传统掺杂材料（如Ag、Cd）所带来的高成本和潜在危害。

在催化剂的固定方式上，研究选择了聚苯乙烯作为支持材料。聚苯乙烯具有成本低、化学惰性、重量轻等优点，特别适合用于实际水处理系统。通过溶剂自由的热沉积法，Fe-TiO?纳米颗粒能够被牢固地附着在聚苯乙烯颗粒表面，从而实现其重复利用。这种方法在实验室条件下已显示出良好的效果，并且在户外试验中也得到了验证。

研究还评估了H?O?在系统中的作用。H?O?不仅能够作为辅助氧化剂，还能与光催化反应相结合，形成一种光芬顿机制，进一步提升污染物的降解效率。通过H?O?的加入，系统在低太阳辐照度下依然能够维持较高的降解速率，这表明H?O?在提高系统稳定性方面具有重要作用。此外，H?O?的添加方式也对反应效果产生了显著影响，研究发现，在一定时间内分批添加H?O?比一次性添加更为有效，能够维持更长时间的•OH生成，从而提升降解效率。

在户外实验中，研究还使用了一种被动式铝反射器（PAR）来增强太阳辐射对反应器的照射。这种反射器能够有效收集和引导太阳光，即使在光照不足的情况下也能提升系统的性能。结果表明，PAR的使用显著降低了半饱和辐照度（Ks），使得系统在较低的太阳辐照度下依然能够高效运行。这为在不同光照条件下实现稳定的水处理提供了新的思路。

从工程角度而言，研究还探讨了反应器设计对系统性能的影响。通过控制光程长度，研究优化了光的利用效率，使得光催化反应能够在更短的时间内实现更高的降解率。同时，研究发现，较低的光程长度有助于减少光的衰减，提高反应速率。这些优化策略使得系统能够在较短的停留时间内实现高效的污染物去除。

此外，研究还探讨了系统在真实制药废水中的表现。与实验室中的合成废水相比，真实废水的成分更为复杂，包括悬浮物、溶解有机物和竞争性离子等。然而，实验结果表明，该系统在处理真实废水时依然能够保持良好的性能，这进一步验证了其在实际水处理中的适用性。TOC的显著降低（从21.5 mg/L降至14.3 mg/L）表明该系统能够有效实现污染物的矿化，而非仅仅依靠吸附作用。

在动力学研究方面，研究采用了一种经典的非均相动力学模型——朗缪尔-欣斯列伍德（L-H）模型，以描述光催化降解反应的速率。通过该模型，研究分析了不同实验条件下反应速率的变化趋势，并进一步探讨了反应速率与太阳辐照度之间的关系。实验发现，在较低太阳辐照度下，反应速率随着辐照度的增加而显著提升，而在较高辐照度下，反应速率趋于稳定，这表明系统在不同光照条件下具备良好的适应性。

同时，研究还通过统计分析探讨了温度对反应速率的影响。虽然温度在一定程度上能够促进反应速率，但其影响在实验范围内并不显著。这表明，在大多数实际操作条件下，温度的变化对光催化效率的影响相对较小，而太阳辐照度则是更为关键的因素。因此，研究强调了优化太阳辐照度管理在提高系统性能中的重要性。

通过将H?O?的添加与光催化反应相结合，研究还观察到了显著的协同效应。在H?O?辅助下，系统在太阳辐照度较低的情况下依然能够保持较高的反应速率，这表明H?O?在提升系统稳定性方面具有重要作用。此外，H?O?的加入还能够降低系统对高强度太阳光的依赖，使得该技术在光照条件不稳定的地区也能得到应用。

在实际应用中，该系统的优势在于其低能耗、高效率和易于操作的特性。由于其完全依赖太阳能，因此能够显著降低运行成本，同时减少对化石燃料的依赖。此外，该系统能够在连续流动模式下保持稳定的性能，这使其适用于大规模的水处理需求。然而，研究也指出了一些潜在的挑战，例如在低pH条件下，Fe可能会从催化剂表面脱落，但实际操作条件下（pH约为6.0），Fe的释放量较低，不会对处理后的水质产生显著影响。

本文的研究成果表明，Fe-TiO?/PS系统在太阳能驱动的连续流动模式下具有较高的应用潜力。它不仅能够实现对有机污染物的高效降解，还能够适应不同光照条件和废水成分的变化，这为开发可持续、低能耗、可扩展的水处理技术提供了重要的参考。此外，该系统的设计和运行条件为未来的实际应用提供了基础，特别是在偏远地区或需要去中心化处理的场景中。

总的来说，本文的研究不仅在实验室条件下验证了Fe-TiO?/PS系统的可行性，还通过长期户外实验和真实废水处理进一步展示了其在实际水处理中的应用潜力。通过优化光程长度、H?O?的添加策略以及太阳辐照度的管理，研究成功提升了系统的性能，并确保了其在实际环境中的稳定性。这些成果为未来太阳能驱动的光催化水处理技术提供了重要的理论支持和实践指导。