大連化物所發(fā)展出新型光催化與高級氧化耦合有機污水處理技術(shù)

近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所節(jié)能與環(huán)境研究部廢水處理工程研究組研究員孫承林和衛(wèi)皇曌團隊、催化基礎(chǔ)國家重點實驗室研究員李仁貴等合作，發(fā)展了一種新型光催化水氧化和傳統(tǒng)催化過氧化氫濕式氧化(cwpo)耦合的技術(shù)，實現(xiàn)了有機污染物的高效去除，并將其應(yīng)用于工業(yè)有機廢水處理。

將有機化合物未經(jīng)處理直接排入水中，會對環(huán)境造成危害。cwpo是一種高級氧化技術(shù)。該技術(shù)采用過氧化氫做氧化劑，在反應(yīng)過程中催化過氧化氫分解為氧化性更強的羥基自由基(·oh)，進而將有機污染物氧化為小分子有機物，甚至直接將有機物礦化。cwpo技術(shù)在常溫常壓下即可反應(yīng)，并具有操作簡單、經(jīng)濟環(huán)保等特點，在中低濃度的難生物降解有機廢水處理領(lǐng)域受到關(guān)注。該技術(shù)存在氧化劑h2o2利用率低、鐵離子循環(huán)困難等問題，使體系成本和間接能耗較高，進一步大規(guī)模應(yīng)用受限。

本工作受到中科院院士李燦團隊提出的“氫農(nóng)場”策略(angew. chem. int. ed.、angew. chem. int. ed.)和晶面間光生電荷分離特性(nat. commun.、energy environ. sci.)工作的啟發(fā)，提出了光催化水氧化和cwpo耦合技術(shù)(photo-cwpo)，利用光生電子來實現(xiàn)fe3+到fe2+的還原，從而實現(xiàn)cwpo中鐵離子高效循環(huán);同時，利用光生空穴來實現(xiàn)有機污染物的氧化降解，大幅降低耦合體系h2o2的使用量。研究發(fā)現(xiàn)，十面體bivo4光催化劑被引入與cwpo耦合，受益于十面體bivo4光催化劑高效的電荷分離效率和fe3+到fe2+的高效不可逆轉(zhuǎn)化，photo-cwpo體系表現(xiàn)出高于單獨cwpo體系有機污染物分子降解效率，有效降低了fe2+的使用量和鐵泥的排放。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)，h2o2可經(jīng)由bivo4表面兩電子水氧化過程原位產(chǎn)生，進而與體系中fe2+發(fā)生fenton反應(yīng)產(chǎn)生·oh，用于有機污染物分子降解，進一步降低整個體系h2o2的使用量，從而降低處理成本。photo-cwpo策略已在十余種有機污染物分子的降解中被驗證，表現(xiàn)出良好的普適性和穩(wěn)定性。該策略為有機廢水深度礦化處理提供了新的高效低成本技術(shù)路線。

基于該工作，photo-cwpo技術(shù)已在實際工業(yè)廢水處理中得到放大應(yīng)用，被應(yīng)用于處理煤化工廢水、甲醇制烯烴廢水、偏二甲肼廢水等，表現(xiàn)出良好的處理效果。目前，該技術(shù)正處于中試階段。

相關(guān)研究成果以coupling photocatalytic water oxidation on decahedron bivo4 crystals with catalytic wet peroxide oxidation for removing organic pollutions in wastewater為題，發(fā)表在《應(yīng)用催化b：環(huán)境》(applied catalysis b: environmental)上。研究工作得到大連化物所創(chuàng)新基金、國家重點研發(fā)計劃、中科院青年創(chuàng)新促進會、國家自然科學(xué)基金等的支持。