Eletrodo de nanotubo de TiO2 para degradação orgânica acoplado com fluxo

npj Clean Water volume 5, Número do artigo: 7 (2022) Citar este artigo

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Um sistema dual de oxidação fotoeletroquímica (PEC) e deionização capacitiva por eletrodo de fluxo (FCDI) foi explorado para o tratamento eficaz de água salobra. Dois eletrodos anódicos com arranjos de TiO2 autodopados eletroquimicamente (arranjos de nanotubos de TiO2 de malha azul/placa azul (BM-TNA e BP-TNA)) foram fabricados por recozimento a 600 °C e aplicados para o tratamento de um sistema de água. Especificamente, o BM-TNA confirmou menor resistência elétrica e desempenho superior sob múltiplas fontes de luz (UV-A, -B e -C). Além disso, o sistema gerou poderosas espécies reativas oxidantes de oxigênio (ROS), que foram avaliadas através da degradação de oito poluentes orgânicos: bisfenol-A, 4-clorofenol, cimetidina, sulfametoxazol, ácido benzóico, fenol, nitrobenzeno e acetaminofeno. A eficiência da decomposição foi estável em uma ampla faixa de pH, e a durabilidade do eletrodo BM-TNA foi demonstrada por meio de operação de longo prazo. Simultaneamente, a otimização do processo FCDI por meio de parâmetros operacionais importantes (carga de massa do eletrodo e tensão aplicada) alcançou desempenho de dessalinização superior e consumo específico de energia (SEC). Em particular, o aumento do carregamento de massa aprimorou o transporte de carga através da formação de caminhos estáveis ​​de percolação de carga, levando a uma melhor condutância da solução. Finalmente, a viabilidade do sistema dual (PEC-FCDI) foi verificada através da degradação completa dos substratos orgânicos e dessalinização bem-sucedida da água salobra.

A crescente demanda por água doce devido à ocorrência de escassez de água em todo o mundo tornou-se um desafio urgente a ser resolvido1,2. Apenas 5–6% das múltiplas massas de água na Terra contêm água doce diretamente utilizável, com o restante consistindo principalmente de água do mar3,4. Nessas circunstâncias, esforços crescentes têm sido dedicados ao tratamento de água salina para garantir um abastecimento seguro de água doce5,6. A água salina é normalmente classificada com base em sua concentração de salinidade, que é comumente representada como sólidos totais dissolvidos (TDS); a água do mar e a água salobra têm valores de TDS >35.000 e 1.000–10.000 mg L−1, respectivamente7. Destes, observou-se que a água salobra contém amplamente poluentes orgânicos, como sulfametoxazol (SMX), bisfenol-A (BPA), acetaminofeno (AMP), 4-clorofenol (4CP), nitrobenzeno (NIB), ácido benzóico (BA) , fenol (PH) e cimetidina (CMT), que se supõe serem originados principalmente de várias fontes de águas residuais (como fazendas industriais, médicas e de aquicultura)8. Esses poluentes são transportados por corpos d'água, causando graves distúrbios à vida aquática (como variação genética e forte resistência)9 e afetando adversamente o corpo humano após o consumo, pois normalmente agem como substâncias desreguladoras do sistema endócrino10,11. Portanto, o desenvolvimento e a aplicação bem-sucedida de tecnologias para o tratamento de água salobra contaminada para consumo ou uso doméstico é uma questão essencial12.

Processos de dessalinização por membrana, como osmose reversa (RO) e nanofiltração (NF), têm se destacado como tecnologias representativas para o tratamento de água. Especificamente, a osmose reversa de água do mar e a osmose reversa de água salobra (BWRO) são amplamente utilizadas como processos típicos de dessalinização de água do mar, enquanto BWRO e NF são aplicados para tratamento de água salobra. Assim, o processo NF é amplamente introduzido em regiões que dependem fortemente de água salobra para complementar seu abastecimento de água doce13,14. No entanto, é comumente relatado que a membrana NF exibe rejeição inadequada de íons monovalentes e, embora o desempenho para íons divalentes e TOC possa ser competente, a remoção de orgânicos agrava a incrustação da superfície da membrana15,16. Além disso, um estudo recente que revisou exaustivamente a remoção de compostos orgânicos por meio do processo NF mostrou que um grande número de contaminantes orgânicos (isto é, PH, NIB) apresenta rejeição extremamente baixa durante o processo17. As desvantagens gerais da tecnologia incluem: (i) incrustação por íons de cálcio e magnésio, (ii) incrustação por sólidos suspensos e matéria orgânica, (iii) baixa eficiência de remoção de contaminantes orgânicos específicos e (iv) alto custo de manutenção com a pressão sendo o força motriz18,19,20,21. Portanto, a oxidação fotoeletroquímica (PEC) acoplada à deionização capacitiva por eletrodo de fluxo (FCDI) foi introduzida como um processo eficaz tanto para a remoção de poluentes orgânicos quanto para a dessalinização para substituir o processo de membrana convencional, ainda que deficiente em energia.