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Enhanced Photocatalytic Water Decontamination by Micro–Nano Bubbles: Measurements and Mechanisms

光催化 人体净化 化学工程 材料科学 胶体 色散(光学) 溶解 水溶液 亚甲蓝 化学 纳米技术 降级(电信) 废物管理 催化作用 有机化学 物理 光学 计算机科学 工程类 电信
作者
Wei Fan,Yuhang Li,Chunliang Wang,Yutong Duan,Yang Huo,Brielle Januszewski,Meng Sun,Mingxin Huo,Menachem Elimelech
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:55 (10): 7025-7033 被引量:55
标识
DOI:10.1021/acs.est.0c08787
摘要

Despite recent advancements in photocatalysis enabled by materials science innovations, the application of photocatalysts in water treatment is still hampered due to low overall efficiency. Herein, we present a TiO2 photocatalytic process with significantly enhanced efficiency by the introduction of micro–nano bubbles (MNBs). Notably, the removal rate of a model organic contaminant (methylene blue, MB) in an air MNB-assisted photocatalytic degradation (PCD) process was 41–141% higher than that obtained in conventional macrobubble (MaB)-assisted PCD under identical conditions. Experimental observations and supporting mechanistic modeling suggest that the enhanced photocatalytic degradation is attributed to the combined effects of increased dissolution of oxygen, improved colloidal stability and dispersion of the TiO2 nanocatalysts, and interfacial photoelectric effects of TiO2/MNB suspensions. The maximum dissolved oxygen (DO) concentration of the MNB suspension (i.e., 11.7 mg/L) was 32% higher than that of an MaB-aerated aqueous solution (i.e., 8.8 mg/L), thus accelerating the hole oxidation of H2O on TiO2. We further confirmed that the MNBs induced unique light-scattering effects, consequently increasing the optical path length in the TiO2/MNB suspension by 7.6%. A force balance model confirmed that a three-phase contact was formed on the surface of the bubble–TiO2 complex, which promoted high complex stability and PCD performance. Overall, this study demonstrates the enhanced photocatalytic water decontamination by MNBs and provides the underlying mechanisms for the process.
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