《Process Safety and Environmental Protection》：Scalable Photoelectrocatalytic Reactor for Safe and Rapid Water Treatment: Simultaneous Organic Degradation, Microbial Disinfection, Nitrite Removal, and Oxygenation
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摘要水中有机污染物、氮类物质以及病原微生物的污染问题，依然对安全且可持续的水处理技术构成巨大挑战。传统水处理方法存在流程复杂、反应效率低、依赖化学药剂以及能耗高等缺陷，因此亟需开发出快速、安全且节能的处理技术来克服这些限制。本研究介绍了一种新型可扩展的60升光电催化反应器，该反应
摘要
水中有机污染物、氮类物质以及病原微生物的污染问题，依然对安全且可持续的水处理技术构成巨大挑战。传统水处理方法存在流程复杂、反应效率低、依赖化学药剂以及能耗高等缺陷，因此亟需开发出快速、安全且节能的处理技术来克服这些限制。本研究介绍了一种新型可扩展的60升光电催化反应器，该反应器采用了通过自动分层浸涂法制备的大面积FTO/WO?/BiVO?异质结光阳极。这种自动化工艺能够实现薄膜制备的均匀性，具有较好的重复性（相对标准偏差为5.7%），并且便于电极的规模化生产。该大型光电催化反应器采用五段式流式结构，结合低能量可见光（14.4瓦LED）照射以及较低的施加电压（1.75伏），从而提升物质传输效率、光利用效率以及界面氧化还原反应效率。优化后的系统能够在5分钟内完全去除有机染料，15分钟内彻底清除亚硝酸盐，同时在5分钟内使大肠杆菌及总菌数失去约99%的活性，此外还能通过原位产氧提高水中的溶解氧含量。与以往报道的光电催化系统相比，该反应器在更大规模下仍能实现更快的处理速度，且能耗更低。其优异性能得益于WO?/BiVO?异质结中的高效电荷分离，以及•OH等活性氧化物种和活性氯物种的产生。本研究充分展现了这种光电催化平台在实现安全、低能耗且可扩展的分布式废水处理以及环境治理方面的应用潜力。
引言
有机污染物、病原微生物以及氮化合物造成的水污染，已对环境和工业领域造成严重威胁，尤其是在水产养殖和水资源回收系统中（Ahmad等人，2022；Liu等人，2024）。传统的处理方法，如化学氯化处理（Su等人，2025）、生物处理法（Mishra等人，2022）、臭氧处理法（Ikhlaq等人，2025）以及曝气处理法（Ruano等人，2024），往往存在二次污染、反应速度慢、能耗高以及运行不稳定等问题（Garcia-Segura等人，2018）。在这种背景下，光电催化技术因具有低能耗、环境友好以及能够在安全条件下分解有机污染物、灭活微生物并提升溶解氧水平等优势而备受关注（Chatchai等人，2011；Liu等人，2025；Z. Wang等人，2022）。虽然TiO?已被广泛用作稳定的光阳极，但其较宽的带隙限制了其对可见光的利用效率（Zhou等人，2021）。因此，本研究选择了WO?/BiVO?异质结作为光阳极材料，因为它具有更强的可见光吸收能力、更优的能带匹配以及更好的电荷分离效果，这些特性使其更适于低能量可见光驱动的光电催化水处理应用。近期研究显示，基于半导体的光电催化系统，尤其是那些采用WO?和BiVO?作为光阳极的系统（Davies等人，2023），在可见光照射下能够有效分解染料（Hmud等人，2025）、农药（Fang等人，2026）以及微生物污染物（Reddick等人，2024）（Kiama和Ponchio，2021a；Nareejun和Ponchio，2025）。此外，研究人员还开发出了光电催化电池原型，通过优化电极设计及电荷分离机制，进一步提升了有机物质的降解效率（Wattanawikkam等人，2022；Zhou等人，2020）。目前，本文作者首次报道了WO?/BiVO?异质结光阳极的应用（Chatchai等人，2009a）。不过，以往的研究大多集中在实验室规模的系统上，表现为电极表面积有限且多为批次式结构（Chatchai等人，2010；Wiriyachailerd等人，2018）。要实现可扩展的光电催化反应器，还需要进一步研究如何使其能够持续运行、具备较高的处理能力，并以可控方式产生氧化剂。此外，关于工艺安全的问题，尤其是如何控制活性物种的产生以及避免在水处理过程中产生有害副产物，目前还鲜有相关研究（Nareejun等人，2026）。在应用光电催化技术时，还面临着诸多工程挑战，包括如何大规模制造质量稳定且性能一致的高性能光电极，如何设计能够优化污染溶液与活性电极表面相互作用的反应器结构，以及如何整合高效的光照供给系统和物质传输系统（Mousset和Dionysiou，2020；Yu等人，2024；Zhou等人，2021b）。由于传统薄膜制备工艺难以实现大规模生产且难以保持稳定性，因此可能无法满足广泛应用的需求。现有系统的光利用效率较低，且流体动力学设计不合理，这些都限制了其处理效率并增加了操作难度（Dong等人，2025；Gaulhofer等人，2024）。
为了解决这些缺陷，本研究提出了一种可扩展的光电催化系统，该系统采用通过自动浸涂法制备的WO?/BiVO?薄膜光阳极，这类光阳极具有极高的均匀性和重复性。该反应器采用流式结构，通过让溶液持续流过电极表面，从而提升物质传输效率，进而增强表面反应速率，有效清洁电极表面，并保持其催化活性。此外，将光源设置在靠近光阳极的位置，有助于更高效地产生电子-空穴对，并提升电荷传输效率。这种集成设计的目的是在保证工艺稳定和安全的前提下，实现高效的处理效果。所设计的光电催化反应器具备同时分解有机污染物和亚硝酸盐、快速灭活微生物以及提升溶解氧含量的能力，因此非常适用于水产养殖和水处理领域的实际应用。该系统还能够实现活性氧化物种的精准生成，从而降低二次污染的风险，提升操作安全性。本研究为光电催化技术的规模化应用提供了可行的方案，同时也证明了其作为一种可持续、安全且先进的污水处理技术的实用价值。
章节要点
大规模WO?/BiVO?光阳极的制备
首先，将钨酸（H?WO?，Sigma-Aldrich）溶解在30重量%的氨水（NH?，Panreac，德国）中，配制成浓度为0.1摩尔的钨前驱体溶液，随后在60℃下持续搅拌并回流1小时，即可得到透明的黄色溶液。为了制备BiVO?前驱体，需将0.1摩尔的五水合硝酸铋（Bi(NO?)?·5H?O，Sigma-Aldrich）溶解在醋酸中，再将0.1摩尔的乙酰丙酮钒（C??H??O?V）溶解在乙酰丙酮中，然后将这两种溶液混合在一起，再通过磁力搅拌持续30分钟，
大规模WO?/BiVO?光阳极的性能与重复性
图3(a)展示了分别采用自动浸涂法、手动浸涂法和旋涂法制备的WO?/BiVO?光阳极的光电化学性能。结果显示，自动浸涂法所制备的光阳极具有最高的光电流密度，远高于手动浸涂法和旋涂法制备的光阳极。插图显示，自动浸涂法制备的薄膜表面均匀性更好，这表明薄膜的均匀性与光电催化性能之间存在密切关联。自动浸涂法的优势在于
结论
本研究提出了一种可扩展的光电催化平台，旨在解决现有水处理系统存在的诸多缺陷——这些系统通常需要分别进行有机物质降解、氮去除、消毒和充氧等多个处理步骤。该研究构建了一种大型流式光电催化反应器，其光阳极采用了通过自动分层浸涂法制备的FTO/WO?/BiVO?异质结结构，由此可形成大面积（21厘米×30厘米）且均匀的薄膜，
未引用参考文献
(McMichael等人，2022b；Wang等人，2022；Zhou等人，2021a)
CRediT作者贡献说明
Watcharapong Nareejun： 文章撰写——审阅与编辑，文章撰写——初稿编写，可视化分析，结果验证，资源获取，方法设计，实验研究，正式分析，数据整理，概念构建。Yoshio Nosaka： 文章撰写——审阅与编辑，结果验证，研究指导，数据整理，概念构建。Nuanlaor Yamao： 文章撰写——审阅与编辑，结果验证，正式分析，数据整理，概念构建。Chatchai Ponchio： 文章撰写——审阅与编辑，文章撰写——初稿编写，结果验证，研究指导，
关于写作过程中使用生成式AI及AI辅助技术的声明
在准备本研究成果的过程中，作者仅使用生成式AI工具来提升文本的语言质量和可读性。作者对本文的所有内容承担全部责任，并确认所有的科学解读、分析及结论均为作者独立完成。
致谢
本项研究的开展得到了泰国国家研究委员会（NRCT）、产业研究与开发者项目（RRI）以及Eagle dream Co., Ltd.（项目编号N41A650408）的资助支持。同时，作者也要感谢泰安雅布里皇家理工大学（RMUTT）以及所有参与光电催化实验室工作的同事们，没有这些资助方和优秀的科研团队，本研究就无法取得如此优异的成果。
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