ソノ電気化学に基づく亜酸化チタン反応性電気化学膜の電気化学的除染と水の透過性の向上

Enhanced electrochemical decontamination and water permeation of titanium suboxide reactive electrochemical membrane based on sonoelectrochemistry.

• Jie Teng
• Shijie You
• Fang Ma
• Xiaodong Chen
• Nanqi Ren

抄録

反応性電気化学膜(REM)は、フロースルー運転下での電気化学的酸化(EO)水質浄化を可能にし、アノード表面での物質移動を大幅に改善します。しかし、O発生反応(OER)により、小サイズの狭隘な流路に酸素気泡が捕捉され、REMの長期的なろ過性や処理性が低下する可能性がある。本研究では、4-クロロフェノール(4-CP)の酸化を促進するために、チタンサブオキシド-REM(TiSO-REM)陽極を含むEO装置(超音波振動子、28kHz、180W)に超音波(超音波振動子、28kHz、180W)を適用した。実験結果とモデリング結果の両方とも、超音波が大きな気泡を破壊することで多孔質構造内のO気泡の滞留を緩和し、浸透流束を増加させるだけでなく、局所的な物質移動を促進することが実証された。一方、超音波を照射したEO（EO-US, 0.0932分）の4-CPの酸化率は、超音波を照射しないEO（0.0258分）に比べて216%高く、超音波のキャビテーション効果により物質移動とOHの生成が促進されたことがわかった。密度汎関数理論(DFT)計算により、4-CPの最も効率的な除去経路は、4-CPが直接電子移動して[4-CP]を形成し、その後、TiSO-REM陽極上で陽極水酸化により生成されたOHを媒介とする酸化であることが確認された。最後に、超音波を印加することで、電極の不活性化やファウリングが減少し、TiSO-REMの安定性が大幅に向上することを、サイクル試験、走査型電子顕微鏡(SEM)観察、フーリエ変換赤外分光法(FT-IR)による特性評価から明らかにした。この研究では、超音波を用いたREM陽極による再窒化性有機汚染物質のEOの強化について概念実証を行い、分散型廃水処理をより効率的かつ信頼性の高いものにすることを示しました。

Reactive electrochemical membrane (REM) allows electrochemical oxidation (EO) water purification under flow-through operation, which improves mass transfer on the anode surface significantly. However, O evolution reaction (OER) may cause oxygen bubbles to be trapped in small-sized confined flow channels, and thus degrade long-term filterability and treatability of REM. In this study, ultrasound (ultrasonic vibrator, 28 kHz, 180 W) was applied to EO system (i. e. sonoelectrochemistry) containing titanium suboxide-REM (TiSO-REM) anode for enhanced oxidation of 4-chlorophenol (4-CP) target pollutant. Both experimental and modeling results demonstrated that ultrasound could mitigate the retention of O bubbles in the porous structures by destructing large-size bubbles, thus not only increasing permeate flux but also promoting local mass transfer. Meanwhile, oxidation rate of 4-CP for EO with ultrasound (EO-US, 0.0932 min) was 216% higher than that for EO without ultrasound (0.0258 min), due to enhanced mass transfer and OH production under the cavitation effect of ultrasound. Density functional theory (DFT) calculations confirmed the most efficient pathway of 4-CP removal to be direct electron transfer of 4-CP to form [4-CP], followed by subsequent oxidation mediated by OH produced from anodic water oxidation on TiSO-REM anode. Last, the stability of TiSO-REM could be improved considerably by application of ultrasound, due to alleviation of electrode deactivation and fouling, indicated by cyclic test, scan electron microscopy (SEM) observation and Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) characterization. This study provides a proof-of-concept demonstration of ultrasound for enhanced EO of recalcitrant organic pollutants by REM anode, making decentralized wastewater treatment more efficient and more reliable.

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