Oczyszczanie ścieków z użyciem prądu i światła
Większość europejskich instalacji oczyszczania ścieków jest wysoce rozwinięta, jednak rosną obawy związane z nowymi zanieczyszczeniami, które trudno usunąć przy użyciu konwencjonalnych metod biologicznych. Należą do nich takie nowo pojawiające się zanieczyszczenia, jak substancje per- i polifluoroalkilowe (PFAS), leki oraz geny oporności na środki przeciwdrobnoustrojowe. Wanadan bizmutu (BiVO₄) to wyjątkowy materiał, który wykazuje obiecujący potencja w usuwaniu takich zanieczyszczeń z wody. Pod wpływem światła i prądu BiVO4 rozkłada zanieczyszczenia w procesie znanym jako utlenianie fotoelektrochemiczne (PEC). „Wanadan bizmutu jest bardzo atrakcyjnym materiałem, jeśli chodzi o uzdatnianie wody z wykorzystaniem energii słonecznej, ponieważ pochłania światło widzialne”, wyjaśnia Sanjeeb Mohapatra, stypendysta programu działań „Maria Skłodowska-Curie”(odnośnik otworzy się w nowym oknie) z Uniwersytetu Technicznego w Delft(odnośnik otworzy się w nowym oknie) (TU Delft). Gdy światło pada na BiVO₄, w materiale tym powstają ujemnie naładowane elektrony i dodatnio naładowane „dziury”. Te dziury muszą dotrzeć do granicy faz między elektrodą a wodą, aby wejść w reakcję z zanieczyszczeniami, jednak znaczna ich część po prostu jest przyciągan do elektronów i ponownie się łączy, zanim zdąży wykonać swoje zadanie. „Zasadniczym wyzwaniem jest to, jak lepiej wykorzystać energię słoneczną pochłanianą przez BiVO4 poprzez poprawę separacji ładunków, transportu ładunków i reakcji powierzchniowych”, dodaje Mohapatra. W ramach finansowanego przez UE projektu SOLUTION Mohapatra pracował on nad rozwiązaniem tego problemu, opracowując powłokę na powierzchnię BiVO4, która poprawia przepływ ładunków w całej „fotoanodzie” – czyli na połączeniu materiału aktywowanego światłem i powłoki. „Moje podejście polegało na zaprojektowaniu fotoanody w taki sposób, aby fotogenerowane ładunki mogły być efektywniej rozdzielane i przenoszone, przy jednoczesnej poprawie reakcji zachodzących na powierzchni”, wyjaśnia uczony.
Tworzenie nowatorskiego materiału fotoanody w celu zwiększenia wydajności oczyszczania ścieków
W ramach projektu Mohapatra i jego współpracownicy opracowali i zoptymalizowali fotoanodę z wykorzystaniem połączenia syntezy materiałów, charakterystyki elektrochemicznej i testów wydajnościowych. „Systematycznie zbadaliśmy, w jaki sposób skład i struktura materiału wpływają na transfer ładunków oraz na zanieczyszczenia, takie jak rozkład substancji farmaceutycznych, a uzyskane informacje wykorzystaliśmy do optymalizacji elektrody”, mówi Mohapatra. Naukowcy przetestowali tę technologię na prawdziwych ściekach, w tym na komunalnych. „Było to ważne, ponieważ prawdziwe ścieki zawierają wiele różnych składników organicznych i nieorganicznych, które mogą konkurować o cząsteczki reaktywne wytwarzane na fotoanodzie”, mówi Mohapatra.
Wykazanie lepszej skuteczności usuwania substancji farmaceutycznych
Najważniejszym wynikiem prac było wykazanie lepszej wydajności systemu PEC poprzez wyeliminowanie podstawowych ograniczeń samej fotoanody. „Udało nam się ustalić zależność między właściwościami materiału a usuwaniem substancji farmaceutycznych”, zauważa Mohapatra. „Jest to istotne z punktu widzenia nauki, ponieważ pozwala nam znacznie lepiej zrozumieć, dlaczego dany materiał działa lepiej i w jaki sposób można go dalej optymalizować”. Mohapatra zwraca także uwagę na znaczenie testowania tej technologii w rzeczywistych warunkach ściekowych, ponieważ jest to znacznie bardziej złożony scenariusz niż w przypadku testów laboratoryjnych. „Wykazanie wysokiej wydajności w realistycznych warunkach przybliża tę technologię o krok do praktycznego zastosowania”, dodaje.
Ulepszenie oczyszczania ścieków w UE
Technologia ta ma przede wszystkim szansę uzupełnić, a nie natychmiastowo zastąpić, konwencjonalne metody oczyszczania ścieków. Omawiane prace przyczyniają się do realizacji tego długoterminowego celu poprzez opracowywanie bardziej wydajnych materiałów fotoanodowych, które potencjalnie mogą zmniejszyć wymagania energetyczne i operacyjne oczyszczania zasilanego energią słoneczną. „W projekcie wykazaliśmy, że fotowoltaiczno-elektrochemiczne oczyszczanie zasilane energią słoneczną ma potencjał jako technologia uzupełniająca w usuwaniu substancji farmaceutycznych ze ścieków”, mówi Mohapatra.
