Elettrodo a nanotubi di TiO2 per la degradazione organica accoppiato al flusso

npj Clean Water volume 5, numero articolo: 7 (2022) Citare questo articolo

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È stato esplorato un sistema doppio di ossidazione fotoelettrochimica (PEC) e deionizzazione capacitiva con elettrodo a flusso (FCDI) per il trattamento efficace dell'acqua salmastra. Due elettrodi anodici con array di TiO2 elettrochimicamente autodrogati (array di nanotubi di TiO2 a maglia blu/piastra blu (BM-TNA e BP-TNA)) sono stati fabbricati mediante ricottura a 600 °C e applicati per il trattamento di un sistema idrico. Nello specifico, il BM-TNA ha confermato una resistenza elettrica inferiore e prestazioni superiori sotto molteplici fonti di luce (UV-A, -B e -C). Inoltre, il sistema ha generato potenti specie reattive dell’ossigeno ossidante (ROS), che sono state valutate tramite la degradazione di otto inquinanti organici: bisfenolo-A, 4-clorofenolo, cimetidina, sulfametossazolo, acido benzoico, fenolo, nitrobenzene e paracetamolo. L'efficienza della decomposizione è risultata stabile in un ampio intervallo di pH e la durata dell'elettrodo BM-TNA è stata dimostrata attraverso un funzionamento a lungo termine. Allo stesso tempo, l'ottimizzazione del processo FCDI tramite parametri operativi chiave (carico della massa dell'elettrodo e tensione applicata) ha ottenuto prestazioni di desalinizzazione e consumo energetico specifico (SEC) superiori. In particolare, l'aumento del carico di massa ha migliorato il trasporto della carica attraverso la formazione di percorsi stabili di percolazione della carica, portando a una migliore conduttanza della soluzione. Infine, è stata verificata la fattibilità del sistema duale (PEC-FCDI) attraverso la completa degradazione dei substrati organici e la riuscita desalinizzazione dell'acqua salmastra.

La crescente domanda di acqua dolce dovuta al verificarsi di carenze idriche in tutto il mondo è diventata una sfida urgente da risolvere1,2. Solo il 5–6% dei molteplici corpi idrici sulla Terra contengono acqua dolce direttamente utilizzabile, mentre il resto è costituito principalmente da acqua di mare3,4. In queste circostanze, sono stati compiuti sforzi crescenti per trattare l’acqua salata al fine di garantire un approvvigionamento sicuro di acqua dolce5,6. L'acqua salina è tipicamente classificata in base alla sua concentrazione di salinità, che è comunemente rappresentata come solidi totali disciolti (TDS); l'acqua di mare e l'acqua salmastra hanno valori TDS > 35.000 e 1.000–10.000 mg L−1, rispettivamente7. Di questi, è stato osservato che l'acqua salmastra contiene ampiamente inquinanti organici, come sulfametossazolo (SMX), bisfenolo-A (BPA), paracetamolo (AMP), 4-clorofenolo (4CP), nitrobenzene (NIB), acido benzoico (BA) , fenolo (PH) e cimetidina (CMT), che si presume provengano principalmente da varie fonti di acque reflue (come allevamenti industriali, medici e di acquacoltura)8. Questi inquinanti vengono trasportati attraverso i corpi idrici, causando gravi disturbi alla vita acquatica (come variazioni genetiche e forte resistenza)9 e influenzando negativamente il corpo umano al momento del consumo poiché agiscono tipicamente come sostanze che alterano il sistema endocrino10,11. Pertanto, lo sviluppo e l'applicazione con successo di tecnologie per il trattamento dell'acqua salmastra contaminata per uso potabile o domestico è una questione essenziale12.

I processi di desalinizzazione a membrana, come l’osmosi inversa (RO) e la nanofiltrazione (NF), sono stati evidenziati come tecnologie rappresentative per il trattamento dell’acqua. Nello specifico, l'osmosi inversa dell'acqua di mare e l'osmosi inversa dell'acqua salmastra (BWRO) sono ampiamente utilizzate come tipici processi di desalinizzazione dell'acqua di mare, mentre BWRO e NF vengono applicati per il trattamento dell'acqua salmastra. Di conseguenza, il processo NF viene ampiamente introdotto nelle regioni che fanno molto affidamento sull’acqua salmastra per integrare la propria fornitura di acqua dolce13,14. Tuttavia, è comunemente riportato che la membrana NF presenta un rifiuto inadeguato degli ioni monovalenti e, sebbene le prestazioni per gli ioni bivalenti e il TOC possano essere soddisfacenti, la rimozione delle sostanze organiche aggrava l'imbrattamento della superficie della membrana15,16. Inoltre, un recente studio che ha esaminato in modo esaustivo la rimozione dei composti organici tramite il processo NF ha evidenziato che un ampio numero di contaminanti organici (ad esempio PH, NIB) mostrano un rigetto estremamente basso attraverso il processo17. Gli svantaggi generali della tecnologia includono: (i) incrostazioni dovute a ioni di calcio e magnesio, (ii) incrostazioni dovute a solidi sospesi e materia organica, (iii) bassa efficienza di rimozione di specifici contaminanti organici e (iv) elevati costi di manutenzione poiché la pressione rappresenta il fattore principale. forza motrice18,19,20,21. Pertanto, l'ossidazione fotoelettrochimica (PEC) accoppiata alla deionizzazione capacitiva con elettrodo a flusso (FCDI) è stata introdotta come processo efficace sia per la rimozione di inquinanti organici che per la desalinizzazione per sostituire il processo a membrana convenzionale ad alta intensità energetica ma carente.