Four-in-one multifunctional self-driven photoelectrocatalytic system for water purification: Organics degradation, U(VI) reduction, electricity generation and disinfection against bacteria

吸附 废水 化学 饮用水净化 污水处理 阴极 化学工程 材料科学 环境工程 环境科学 有机化学 工程类 物理化学
作者
Sixuan Cai,Yanjun Wen,Qingyan Zhang,Qingming Zeng,Qingqing Yang,Beibei Gao,Guolong Tang,Qingyi Zeng
出处
期刊:Science of The Total Environment [Elsevier BV]
卷期号:928: 172353-172353 被引量:2
标识
DOI:10.1016/j.scitotenv.2024.172353
摘要

This study addresses the energy-intensive nature of conventional wastewater treatment processes and proposes a solution through the development of a green, low-energy, and multifunctional wastewater treatment technology. The research focuses on a multifunctional self-driven photoelectrocatalytic (PEC) system, exploring its four-in-one applications in eliminating organic pollutants, reducing U(VI), generating electrical energy, and disinfecting pathogenic microorganisms. A TiO2-decorated carbon felt (CF@TiO2) cathode is synthesized to enhance interfacial charge transfer, with TiO2 coating improving surface binding sites (edge TiO and adsorbed -OH) for UO22+ adsorption and reduction. The self-driven PEC system, illuminated solely with simulated sunlight, exhibits remarkable efficiency in removing nearly 100 % of uranium within 0.5 h and simultaneously degrading 99.9 % of sulfamethoxazole (SMX) within 1.5 h, all while generating a maximum power output density (Pmax) of approximately 1065 μW·cm−2. The system demonstrates significant anti-interference properties across a wide pH range and coexisting ions. Moreover, 49.4 % of the fixed uranium on the cathode is reduced into U(IV) species, limiting its migration. The self-driven PEC system also excels in detoxifying various toxic organic compounds, including tetracycline, chlortetracycline, and oxytetracycline, and exhibits exceptional sterilization ability by disinfecting nearly 100 % of Escherichia coli within 0.5 h. This work presents an energy-saving, sustainable, and easily recyclable wastewater purification system with four-in-one capabilities, relying solely on sunlight for operation.
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