Novel polymer optical fibers with high mass-loading g-C3N4 embedded metamaterial porous structures achieve rapid micropollutant degradation in water

材料科学 光催化 制作 泥浆 降级(电信) 多孔性 复合材料 聚合物 化学工程 化学 有机化学 医学 电信 替代医学 病理 计算机科学 工程类 催化作用
作者
Zihang Cheng,Chii Shang,Paul Westerhoff,Ling Li
出处
期刊:Water Research [Elsevier BV]
卷期号:242: 120234-120234 被引量:5
标识
DOI:10.1016/j.watres.2023.120234
摘要

The performance of conventional photocatalytic reactors suffers from low photocatalyst mass-loading densities affixed to surfaces and light scattering losses or light attenuation in slurry reactors. These limitations are overcome by fabrication of high mass-loading g-C3N4 embedded metamaterial porous structures on flexible polymeric optical fibers (g-C3N4-POFs). In this study, the fabricated g-C3N4-POFs contain g-C3N4 with mass-loading 100-1000x higher than previouly reported, enabling efficient light delivery to g-C3N4 and improved pollutant mass transport within metamaterial porous structures. The key fabrication step involved using acetone, based on its high saturated vapor pressure and low dielectric constant, making roll-to-roll mass production of high mass-loading photocatalyst-embedded metamaterial POFs possible at room-temperature within seconds. Using bundles of 150 individual g-C3N4-POFs in the reactors, we achieved 4x higher degradation rates for micropollutants under visible light irradiation at 420 nm compared with equivalent mass-to-volume ratios of photocatalysts in a slurry suspension reactor. The bundled g-C3N4-POF reactor showed no degradation in the structural integrity or loss of pollutant degradation using deionized or model drinking water under accumulated HO• exposures of ∼4.5 × 10-9 M•s after 20 cycles of treatment. It operates continuously at g-C3N4 dosages equivalent to 100-1000 g/L and a water depth over 40 cm, making it a feasible alternative to conventional photocatalytic reactors.
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