《Chemical Engineering and Processing - Process Intensification》：Photocatalytic Pollutant Removal from Vinasse using a Venturi-Assisted Jet-Loop Photoreactor Complemented by Chitosan-Based Coagulant/Flocculants Pretreatment
编辑推荐：
•文丘里设计增强的溶解氧，提高了光催化酒糟液处理的效率。•壳聚糖预处理改善了UV-C的穿透能力和污染物的去除效果。•羟基自由基是光催化过程中占主导地位的氧化剂。•使用文丘里时，流体动力学空化效应具有高度相关性。•带文丘里的射流环型光反应器为酒糟液处理提供了一种可持续的解决方案
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文丘里设计增强的溶解氧，提高了光催化酒糟液处理的效率。
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壳聚糖预处理改善了UV-C的穿透能力和污染物的去除效果。
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羟基自由基是光催化过程中占主导地位的氧化剂。
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使用文丘里时，流体动力学空化效应具有高度相关性。
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带文丘里的射流环型光反应器为酒糟液处理提供了一种可持续的解决方案。
引言
皮斯科酒是一种由发酵葡萄汁蒸馏而成的酒精饮料，产自智利和秘鲁。在智利，科金博地区是最大的皮斯科酒生产和出口地区，占该国北部94%的皮斯科葡萄种植园[1]。然而，该地区气候干旱，面临水资源短缺[2]，甚至被认为是极端大旱区[2]。皮斯科酒产业对智利经济具有重要意义，但其可持续性具有全球性影响。气候变化和极端干旱加剧了水资源短缺，威胁其长期可行性[3]。
废水的回收和再利用对于继续生产皮斯科酒并确保该产业的可持续性至关重要。在此背景下，VS（酒糟液）是酒精饮料和乙醇生产过程中产生的废水。由于其有机质含量高、酸度高和浊度大，VS被视为需要妥善控制的污染物[4]。此外，VS含有氮、钾和磷等营养物质；因此，它被用于灌溉过程，具有较高的化学需氧量（COD）、生化需氧量和高悬浮固体含量[5]。然而，如果不遵守适用标准，可能导致多种环境问题，例如温室气体排放[7]、土壤和地下水电导率增加，或富营养化[6]。长期使用可能会对水生系统中的端足类动物产生不利影响，降低其繁殖率和存活率[7]。VS被视为一种难处理的废水，对常规处理方法构成重大挑战[8]。
在此背景下，高级氧化工艺（AOPs）作为一种有效的替代方案应运而生，用于去除此类工业废水中的有机污染物[5,3]，其基于原位生成羟基自由基（OH•）或其他氧化剂，这些是具有强反应性和非选择性的氧化剂，能够非常快地与有机物反应[9]。
研究最多的光催化剂是半导体TiO?。当TiO?吸收能量等于或高于其带隙能量的光子时，电子从价带（VB）被激发到导带（CB），在价带中产生空穴，形成可复合的电子-空穴（e-/h+）对。这种复合是该过程中的一个不利因素[10]。一方面，光激发电子还原氧气，产生OH•和超氧自由基（O?•）；另一方面，空穴（h+）可以氧化水形成OH•[11]。
e-/h+对的复合阻止了羟基自由基的形成，限制了光催化过程，并将附加能量以热的形式或通过e-与半导体表面吸附的相互作用而耗散[14]，从而降低了氧化效率。然而，有几种策略可以避免这种复合，例如使用有机分子作为牺牲剂，它们作为h+/OH•清除剂发挥作用[12,13]，使用光滑的球形结构改变光催化剂表面的磁场分布[14]，或对溶液进行氧化处理[15,16]。在此意义上，氧气是一种能够减缓e-/h+对复合效应的电子受体，产生过氧化物和过氧氢自由基，因此提高了降解反应速率[17]，如下列方程所示：O?•-?→?O??+?e-O?•-?+?e-?+?2H+→ H?O?O?•-?+?H+→ HO•?
提高水中溶解氧浓度有多种方法，例如使用空气泵、气举系统[18]和文丘里。文丘里是一种简单的三角形堰式装置[22]，是通气的一种有吸引力的解决方案。它基于伯努利原理工作[19]，有三个影响过程的主要区域：收缩段、喉管段和扩散段[20]。
在收缩段，水的循环流速取决于流量和管截面。经过收缩段后，当水通过狭窄的收缩段（喉管段）时，流速增加，压力降低，产生真空，通过喉管区域的一个孔从大气中吸入空气。这使得气泡形成并增加了流体的溶解氧，溶解氧从扩散段被输送到反应器[21]。这使得催化剂、水和气体能够更好地混合均匀，增强了活性物种之间的界面接触面积[15]。
文丘里的几何形状显著影响通气效率，喉管长度以及收缩段和扩散段是关键因素[19]。在此意义上，射流环反应器是一种有趣的装置，它使用文丘里来提高待处理溶液中的溶解氧浓度。射流环是一种具有圆柱形容器设计[22]的多相反应器，高径比大于5，并使用泵通过湍流驱动液体流动[23]。射流环具有坚固、简单的设计，没有运动部件，与标准曝气反应器（如气举反应器和高混合罐）相比，提供更高的气体传递速率。这种增强来自文丘里，它将微细气泡引入液体中，以提高净化和异相反应[24]。
此外，文丘里效应可以通过在流体收缩装置或涡轮机械内由于急剧的压力降低而产生、生长和随后崩溃的蒸汽泡来诱导HC（流体动力学空化）[25]。这些空化事件产生了剧烈的局部现象，包括高剪切应力、微射流形成、冲击波和称为热点的瞬态极端温度。这些条件促进了液相中的化学反应，导致形成高度反应性的物种，如羟基（HO•）和氢（•H）自由基。因此，HC被归类为一种高级氧化工艺（AOP）[26]。
本研究聚焦于一种处理VS的创新策略，VS是一种有机负荷很高的废水，传统上是行业的挑战。利用高级光催化工艺与文丘里系统的组合，旨在优化溶解氧浓度，此前尚未对此进行研究。在本研究中，我们评估了射流环型光反应器中不同文丘里的几何形状，以提高溶液中的溶解氧浓度，并评估光催化的污染物去除和消毒效果。我们使用紫外线C型（UV-C）作为光子源，TiO2作为催化剂。该系统使用文丘里循环待处理的VS。
尽管在文丘里辅助曝气[19,21]、基于HC的高级氧化工艺[25,26]以及光催化处理难处理废水[9,10]方面取得了显著进展，但尚未有研究将这三个要素整合到一个单一的光反应器构型中来处理VS。先前的文丘里辅助光催化研究主要集中在合成或单一污染物模型溶液[15,20]上，或文丘里几何形状的强化潜力[3,8]。此外，虽然HC已证明了其独立的氧化能力[26]，但其在不同文丘里几何形状下UV-C/TiO?射流环系统中的协同贡献尚未被表征。在此背景下，本研究通过以下方式解决这些空白：(i)系统地评估射流环型光反应器中三种商业文丘里的几何形状，以优化溶解氧传递及其对光催化的影响；(ii)在光催化处理前，对皮斯科酒糟液应用基于壳聚糖的混凝/絮凝作为预处理步骤；以及(iii)量化吸附、光解和HC对污染物去除的各自贡献，从而建立对集成过程的理解。因此，本工作提供了系统证据，表明文丘里几何形状是射流环型光反应器中的关键操作变量，对设计用于在水资源短缺地区处理高浓度农业工业废水的强化AOP系统具有直接影响。
章节摘要
材料与方法
本研究中使用的VS来自智利科金博埃尔基谷的皮斯科恩德梅科公司。该公司使用半工业蒸馏工艺生产供国内市场的皮斯科酒。表1总结了所采样VS的主要特征。
射流环型光反应器由一台250瓦的离心泵组成，以80 L/min的流量通过液压回路驱动VS。VS被输送到文丘里，在那里进行充氧后再进入反应器。
该流量
充氧实验
图3显示了在VS射流环型光反应器中循环的自来水中，使用不同文丘里的溶解氧变化以及空白实验的情况。如图所示，在实验的前4分钟内，溶解氧的快速增加已得到充分确认。最高溶解氧浓度是使用V1获得的，达到9.10 mg/L。对于V2、空白和V3，溶解氧分别为8.66 mg/L、7.61 mg/L和7.63 mg/L；KLa??、SOTR和SAE也观察到相同的排序（图4、图5
结论
本研究证明，文丘里几何形状是射流环型光催化反应器中的关键操作变量，直接控制溶解氧传递，从而决定光催化性能。在所评估的三种商业文丘里中，V1（扩散角β = 6°）获得了最高的KLa??、SOTR和SAE值，以及从预处理皮斯科酒糟液中去除污染物的最佳效果：30分钟内总有机碳（TOC）减少50.6%，多酚去除69%，以及完全细菌灭活。
CRediT作者贡献声明
奥古斯丁·奥利瓦雷斯：写作 – 审阅与编辑，监督，软件，资源，项目管理，方法论，调查研究，概念构思。罗德里戈·波布莱特：写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿，可视化，验证，监督，软件，资源，项目管理，方法论，调查研究，资金获取，形式分析，数据管理，概念构思。胡安·古铁雷斯：写作 – 审阅与编辑，验证，方法论，概念构思。
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