流れと組み合わせた有機物分解用の TiO2 ナノチューブ電極

npj クリーンウォーター 5 巻、記事番号: 7 (2022) この記事を引用

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1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

かん水の効果的な処理のために、光電気化学 (PEC) 酸化とフロー電極容量性脱イオン (FCDI) デュアル システムが検討されました。 電気化学的に自己ドープされた TiO2 アレイ (青色メッシュ/青色プレート TiO2 ナノチューブ アレイ (BM-TNA および BP-TNA)) を備えた 2 つの陽極電極を 600 °C でアニールすることによって作製し、水系の処理に適用しました。 具体的には、BM-TNA は複数の光源 (UV-A、UV-B、および UV-C) の下で電気抵抗が低く、優れた性能を発揮することを確認しました。 さらに、このシステムは強力な酸化性活性酸素種 (ROS) を生成し、これは 8 つの有機汚染物質 (ビスフェノール A、4-クロロフェノール、シメチジン、スルファメトキサゾール、安息香酸、フェノール、ニトロベンゼン、アセトアミノフェン) の分解によって評価されました。 幅広いpH範囲にわたって分解効率が安定しており、BM-TNA電極の長期使用による耐久性が実証されました。 同時に、主要な動作パラメーター (電極質量負荷および印加電圧) による FCDI プロセスの最適化により、優れた脱塩性能と比エネルギー消費量 (SEC) が達成されました。 特に、質量負荷の増加により、安定した電荷浸透経路の形成を通じて電荷輸送が強化され、溶液コンダクタンスの向上につながりました。 最後に、有機基質の完全な分解と汽水の脱塩の成功により、二重システム (PEC-FCDI) の実現可能性が検証されました。

世界的な水不足の発生による淡水需要の増大は、解決すべき緊急の課題となっています1,2。 地球上の複数の水域のうち、直接利用できる淡水は 5 ～ 6% のみで、残りはほとんどが海水で構成されています 3,4。 このような状況の下、安全な淡水の供給を確保するために、塩水の処理にますます力が注がれています5,6。 塩水は通常、塩分濃度に基づいて分類され、一般に総溶解固形分 (TDS) として表されます。 海水と汽水の TDS 値は、それぞれ >35,000 と 1000 ～ 10,000 mg L-1 です7。 このうち、かん水には、スルファメトキサゾール (SMX)、ビスフェノール A (BPA)、アセトアミノフェン (AMP)、4-クロロフェノール (4CP)、ニトロベンゼン (NIB)、安息香酸 (BA) などの有機汚染物質が広く含まれていることが観察されています。 、フェノール (PH)、およびシメチジン (CMT) は、主にさまざまな廃水源 (工業、医療、水産養殖場など) に由来すると考えられています8。 これらの汚染物質は水域全体に運ばれ、水生生物に深刻な障害（遺伝的変異や強い抵抗力など）を引き起こし9、通常は内分泌かく乱物質として作用するため、摂取すると人体に悪影響を及ぼします10,11。 したがって、飲料用または家庭用の汚染された汽水を処理する技術の開発と応用の成功は、不可欠な問題である12。

逆浸透（RO）やナノ濾過（NF）などの膜脱塩プロセスは、水処理の代表的な技術として注目されています。 具体的には、代表的な海水淡水化プロセスとして海水逆浸透法と汽水逆浸透法（BWRO）が広く用いられており、汽水処理にはBWROとNFが適用されています。 したがって、NF プロセスは、淡水の供給を補うために汽水に大きく依存している地域で広範囲に導入されています 13,14。 しかし、NF 膜は一価イオンの除去が不十分であり、二価イオンと TOC に対する性能は十分であっても、有機物の除去により膜表面の汚れが悪化することが一般に報告されています 15,16。 さらに、NF プロセスによる有機化合物の除去を包括的にレビューした最近の研究では、多数の有機汚染物質 (PH、NIB など) がプロセスを通じて極めて低い除去率を示すことが示されました 17。 この技術の全体的な欠点としては、(i) カルシウムおよびマグネシウムイオンによるスケーリング、(ii) 浮遊固体および有機物による汚れ、(iii) 特定の有機汚染物質の除去効率が低い、および (iv) 圧力がかかるためメンテナンスコストが高い、などが挙げられます。原動力18、19、20、21。 したがって、フロー電極容量性脱イオン (FCDI) と組み合わせた光電気化学 (PEC) 酸化は、有機汚染物質の除去と脱塩の両方に効果的なプロセスとして導入され、エネルギー集約的だが不足している従来の膜プロセスに代わるものとなりました。