通过增加太阳光能量通量，提高了基于PB@CN-K的光催化四环素废水处理系统的性能

《Chemical Engineering Journal》：Performance improvement of PB@CN-K-based photocatalytic tetracycline wastewater treatment system by energy flux enhancement under solar concentration

　　

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  使用Phloxine B和KOH修饰g-C₃N₄，可以得到具备优异光响应性的PB@CN-K材料。
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  PTWTS的设计基于PB@CN-K在TC降解过程中的光响应特性。
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  PTWTS的设计从单纯增加SCEF（光催化效率因子）转变为实现光催化剂与SCEF的匹配。
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  PTWTS采用了具有CR?=?5的NT-SC（非跟踪式太阳能集热器），以为PB@CN-K的TC降解提供所需的光能。

引言

由于太阳能光催化反应条件温和、氧化能力强且二次污染少，因此在污染物降解方面受到了广泛关注[1],[2]。近年来，许多研究人员将光催化剂直接制造成宏观尺度的太阳能光催化反应器，这些反应器集成了太阳光的收集、污染物吸附和光催化反应功能[3],[4],[5]。然而，仅依靠光催化剂本身的光响应特性无法完全克服一些挑战，包括太阳能通量能量密度低以及能量输入与光催化剂光响应要求之间的不匹配[6],[7]。

因此，研究人员通过扩大太阳能收集面积或延长光催化反应时间来提高太阳能光催化废水处理的效率[8],[9]。例如，Dufner等人[10]设计了一种镀有TiO₂的多级开放式通道光催化废水处理系统，该系统在光催化降解过程中有效延长了光照时间，120–300分钟内甲烯蓝的去除效率达到了55%–99%。Madadi等人[11]设计了一种配备圆形槽式反射器（SPR-CTRs）的太阳能光催化反应器，在平均太阳辐照度为750.46?W/m²的条件下，当CTR的光收集面积为50.45?m²时，11小时后从5 m³的废水中去除了90%的活性红120（初始浓度为20?mg/L）。当废水体积增加到10 m³时，CTR所需的光收集面积增加到121.36?m^{2₂的阶梯式太阳能光催化反应器，多级流道增加了废水与催化表面之间的接触面积，从而延长了有效光照时间。在初始氟喹浓度为5?mg/L、流速为29?L/h的条件下，系统运行2.5小时后的去除效率超过了90%。Ali等人[13]开发了一种由八个串联玻璃管和铝反射器组成的循环式太阳能光催化系统，在平均太阳辐照度约为763?W/m2的情况下，该系统分别从市政二级废水中去除了50%的Total Organic Carbon (TOC)和87.8%的浊度。Rapti等人[14]构建了一种有效集热面积为12 m2、反应管体积为85?L的太阳能光催化系统，当累积的太阳辐射能量超过25?kJ/L时，系统中多种药物的去除效率超过了73%。这些研究推动了太阳能光催化废水处理技术的发展。然而，太阳能辐照的能量密度低且变化较大，以及其与光催化剂光响应要求之间的不匹配问题仍未得到根本解决。}

目前，使用太阳能聚光器（如复合抛物面聚光器（CPCs）和抛物槽式聚光器（PTCs）来提高光催化反应中的能量密度，已成为增强太阳能驱动的光催化废水处理的重要方法[15]。例如，Nair等人[16]设计了一种集成CPC和Degussa P25作为光催化剂的光催化反应系统，CPC收集了近88%的紫外线辐射以及大量可见光，并将其应用于废水中酚类的光催化降解。在650–850?W/m²的太阳辐照度下，该系统的酚类降解速率为0.0062?min^{?1₂O₄/CN作为光催化剂，PTC将反应区的太阳能量密度维持在900–1050?W/m22?1₃N₄/TiO₂异质结在80分钟内去除了94.92%的MB和93.07%的RhB，其表观反应速率常数高于LED照射条件下的值。Razavi等人[20]也使用了PTC将反应区的能量密度提高到1250–1350?W/m2₂/沸石复合光催化剂对SO₂的去除效率达到了34%–35%，而在非聚光条件下仅去除约6.2%。由此可见，现有的聚光太阳能光催化系统主要关注提高太阳能量密度，但并未充分考虑光催化剂的光响应与太阳能量输入之间的匹配关系。因此，根据光催化剂的光响应特性设计和调节SCEF对于提高光催化性能和推动工程应用至关重要。}

为了解决这些问题，本研究开发了一种基于SCEF驱动的PB@CN-K的PTWTS，其SCEF范围适用于PB@CN-K的TC降解。通过使用光敏剂Phloxine B和KOH修饰g-C₃N₄合成了PB@CN-K。具体而言，KOH碱处理用于调节CN的能带结构，Phloxine B的光敏作用扩展了可见光的吸收范围并促进了载流子的界面传输。利用非跟踪式太阳能集热器（NT-SC）集中直射阳光来产生SCEF。NT-SC的目标浓度比（CR）是根据PB@CN-K的光响应和TC降解特性确定的。这项研究将太阳能光催化系统的设计理念从单纯增加SCEF扩展到了实现光催化剂性能与SCEF的协同匹配，为调节SCEF的供需和指导太阳能光催化系统的工程设计提供了方法。

章节片段

PB@CN-K的光响应和TC降解特性

通过Phloxine B的光敏作用和KOH碱处理对g-C₃N₄进行协同改性，获得了具有优异可见光响应和高TC降解性能的PB@CN-K光催化剂。PB@CN-K的合成方法和形态特性在补充材料的第2节中提供。图1展示了CN、CN-K和PB@CN-K的光学特性。在图1（a）中，PB@CN-K在紫外区和可见光区都具有更强的光吸收能力。

TC光催化降解的动力学分析

Langmuir-Hinshelwood (L-H) 动力学模型描述了PTWTS中TC的光催化降解过程。该模型考虑了进料池中TC浓度的时间变化，并包含了不参与光催化降解反应的废水体积[26][27]。PTWTS中TC光催化降解速率的表达式如下：$$\mathit{DR}=k_{\mathit{arrc}}?\mathrm{v}?C_{\mathit{TC}}$$其中v表示反应管中的进料体积（V_reaction）与总

不确定性和经济可行性分析

为了评估实验结果的可靠性，本文利用误差传播原理分析了主要系统性能参数的不确定性。如果目标参数（P）表示为多个独立测量变量（v₁、v₂、?、v_n）的函数，即P?=?f（v₁、v₂、?、v_n），那么其绝对不确定性和相对不确定性可以通过公式（21）、（22）来表示[30]。根据公式（21）、（22），C_t,tank/C₀、DE

结论

本研究开发了一种基于SCEF驱动的PB@CN-K的PTWTS，以解决太阳能光催化废水处理中太阳能能量输入不足和能量供需不匹配的问题。PTWTS的目标SCEF是根据PB@CN-K的光响应和TC降解特性确定的。本文系统地评估了PB@CN-K的能源匹配效应、连续TC废水处理能力及其工程应用潜力。

CRediT作者贡献声明

Bianfeng Yang：撰写 – 审稿与编辑，撰写原始稿件，方法学研究，实验调查。Cong Wang：撰写原始稿件，数据验证。Xu Ji：撰写 – 审稿与编辑，项目管理。Tianfang Zhao：数据验证。Xuerui Guan：方法学研究，正式分析。T.M. Tawfik：数据验证，实验调查。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本项工作得到了云南省科技计划（202501AS070015）、云南省高校服务重点产业科技项目（FWCY-BSPY2024070）以及云南师范大学2026研究生研究与创新基金（014010226005）的财政支持。

Bianfeng Yang|Cong Wang|Xu Ji|Tianfang Zhao|Xuerui Guan|T.M. Tawfik