畜禽廢棄物資源化與碳中和

Valorization of Livestock Waste and Carbon Neutrality

專 輯 文 章 介 紹

·第十二篇·

　　▎論文ID

　　Degradation of organic pollutants in flocculated liquid digestate using photocatalytic titanate nanofibers: mechanism and response surface optimization

　　使用光催化鈦酸納米纖維處理絮凝液體消化物中的有機(jī)污染物

　　出版年份：2023年

　　第一作者：肖依婷

　　通訊作者：肖依婷

　　?：yx011@uark.edu

　　作者單位：美國阿肯色大學(xué)

　　Cite this article : 

　　Yiting XIAO, Yang TIAN, Yuanhang ZHAN, Jun ZHU. DEGRADATION OF ORGANIC POLLUTANTS IN FLOCCULATED LIQUID DIGESTATE USING PHOTOCATALYTIC TITANATE NANOFIBERS: MECHANISM AND RESPONSE SURFACE OPTIMIZATION. Front. Agr. Sci. Eng., 2023, 10(3): 492?502 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2023503

·文 章 摘 要·

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　　本研究首次通過水熱法成功合成了鈦酸納米纖維 (TNFs)，并將其應(yīng)用于光催化降解家禽糞便厭氧消化液中的有機(jī)污染物。該納米材料具有3.16 eV的能帶間隙，其光催化性能經(jīng)過了有機(jī)污染物降解和顏色去除的多輪測試。本文研究了不同的污染物濃度和pH值組合，并利用中心復(fù)合設(shè)計(jì) (CCD) 與響應(yīng)面方法 (RSM) 進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果顯示，最佳的pH值、劑量、揮發(fā)性脂肪酸 (VFA) 去除率、化學(xué)需氧量 (COD) 去除率和脫色率的分別為6.752、0.767 g·L^?1、72.9%、59.1%和66.8%。這些結(jié)果表明，TNFs具有巨大的應(yīng)用潛力，不僅可用于厭氧消化液的后處理，還可用于其他類型的廢水處理。

·文 章 亮 點(diǎn)·

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　　1.首次采用光催化鈦酸納米纖維 (TNFs) 作為催化劑，有效降解了絮凝液消化物中的有機(jī)污染物。

　　2.利用響應(yīng)面法 (RSM) 進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了降解效率的最大化。

　　3.揭示了降解有機(jī)污染物的詳細(xì)機(jī)制，為未來環(huán)境治理提供了新的方向。

·Graphical abstract·

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·研 究 內(nèi) 容·

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　　▎引言

　　厭氧消化技術(shù)在工業(yè)和城市廢水處理中得到了廣泛應(yīng)用，主要用于控制污染和回收能源。這種技術(shù)通過產(chǎn)生甲烷氣體不僅帶來了經(jīng)濟(jì)效益，還額外減少了環(huán)境污染。然而，這些消化后的廢物通常需要經(jīng)過一系列復(fù)雜的后處理步驟，以滿足嚴(yán)格的環(huán)境排放標(biāo)準(zhǔn)。液態(tài)消化物的處理通常涉及多種方法的組合，包括礬石沉淀、先進(jìn)氧化過程、生物處理和膜過濾等。這些方法可能存在各種問題，如操作危險(xiǎn)、殘留物問題，以及高昂的初期和運(yùn)營成本。更重要的是，由于法律規(guī)定和實(shí)際操作難度，這些消化物中的有用營養(yǎng)成分很少被有效回收。因此，對現(xiàn)有的厭氧消化后處理技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，以提高其可持續(xù)性，已成為一個(gè)迫切需要解決的問題。

　　近年來，光催化技術(shù)，尤其是以二氧化鈦 (TiO₂) 為代表的光催化劑，顯示出將污染物分解為無害物質(zhì) (如CO₂、H₂和礦酸) 的巨大潛力。盡管已有大量研究關(guān)注這一領(lǐng)域，但多數(shù)研究僅限于處理單一或易降解的污染物，如紡織染料廢水或造紙廠廢水。與TiO₂相比，TNFs在化學(xué)穩(wěn)定性、成本和降解能力方面具有相似的優(yōu)點(diǎn)，但在可回收性方面表現(xiàn)得更好。這使得TNFs成為一種非常有前景的光催化材料，特別是在液態(tài)消化物處理中。

　　本研究旨在通過優(yōu)化TNFs的濃度和反應(yīng)pH值，最大化其在液態(tài)消化物中的光降解效率。我們采用了水熱法來合成這種一維結(jié)構(gòu)的光催化劑，以提高其可回收性。作為研究對象，本文選取了由家禽糞便和小麥秸稈共同消化生成的消化物，以全面評估TNFs在復(fù)雜廢水處理系統(tǒng)中的應(yīng)用潛力。

　　▎合成方法

　　用于制備TNFs的水熱法是基于Ozkizilcik等人的原始方法進(jìn)行的改進(jìn)。簡單來說，將0.875 g的TiO₂納米粒子加入到70 mL的10 mol·L^?1氫氧化鈉溶液中，并持續(xù)攪拌，直至形成均質(zhì)的乳白色懸浮液。接著，這個(gè)懸浮液被轉(zhuǎn)移到一個(gè)裝有聚四氟乙烯襯里的水熱合成高壓反應(yīng)釜中，并在240 °C的溫度下進(jìn)行反應(yīng)。最終，我們收集了生成的白色TNFs，并用去離子水多次清洗，直到其pH值接近7。

　　▎結(jié)果與討論

　　本研究中，光催化TNFs在處理家禽糞便的厭氧消化物方面表現(xiàn)出良好的潛力。光催化過程能有效地分解有機(jī)廢物，從而顯著降低了消化物中的COD和VFA含量，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了顏色的去除。相較于TiO₂納米粒子 (NPs)，TNFs展示出更高的光催化效率，這一點(diǎn)從其較小的能帶間隙 (約為3.16 eV) 也可見一斑。通過使用中心復(fù)合設(shè)計(jì)和響應(yīng)面方法，本研究確定了各項(xiàng)去除效率的最佳條件。具體來說，VFA、COD和顏色去除的最佳條件分別是：pH值為6.82和濃度為0.87 mg·L^?1，pH值為6.43和濃度為0.76 mg·L^?1，以及pH值為7.22和濃度為0.69 mg·L^?1。在這些條件下，VFA、COD和顏色的去除率分別達(dá)到了73.9%、59.4%和67.8%。總體來說，使用光催化TNFs處理家禽糞便消化物是一種非常有效的方法，不僅能減少有機(jī)廢物含量，還能去除顏色。這些成果意味著，該技術(shù)有望成為處理類似液體厭氧消化物或廢水的可行方案。

圖1 (a) 揮發(fā)性脂肪酸 (VFA) 去除率、(b) 化學(xué)需氧量 (COD) 去除率和 (c) 脫色率對pH和濃度的響應(yīng)面圖。

　　圖2詳細(xì)呈現(xiàn)了經(jīng)過18 h紫外線處理的絮凝消化物的FTIR分析。在大約3350 cm^?1的位置，有一個(gè)強(qiáng)度極高的寬帶，這與羥基團(tuán)的振動(dòng)模式相對應(yīng)。同樣，在大約1635 cm^?1和2160 cm^?1的位置，也有與C=C鍵和C≡C鍵相對應(yīng)的主要帶。值得注意的是，當(dāng)沒有添加光催化劑到反應(yīng)器中時(shí)，如圖2 (a) 所示，處理前后的紅外光譜幾乎沒有變化。但如果添加了TNFs，這些紅外吸收峰的強(qiáng)度明顯減弱，如圖2 (b) 所示，這表明光催化劑有效地破壞了這些化學(xué)鍵。

圖2 經(jīng)過18 h紫外線處理前后的絮凝消化物的FTIR光譜: (a) 沒有添加任何光催化劑; (b) 添加了0.5 g·L^?1的鈉鈦酸鹽。

　　圖3則揭示了光催化劑如何在被照射的鈦酸鹽粒子上分解有機(jī)污染物的機(jī)制。當(dāng)光催化劑粒子受到高于其帶隙能量的光子照射時(shí)，價(jià)帶中的電子會(huì)被激發(fā)到導(dǎo)帶，形成電子?空穴對。這些電子和空穴進(jìn)一步參與各種氧化還原反應(yīng)，最終將吸附在鈦酸鹽表面的有機(jī)污染物轉(zhuǎn)化為CO₂和H₂O。

圖3 光催化分解有機(jī)污染物的光催化機(jī)理。

　　本研究旨在探究通過沉淀法回收家禽糞便厭氧消化物中的TNFs的可行性。與依賴蒸發(fā)法進(jìn)行回收的其他研究不同，本研究采用了無需額外成本的沉淀法。但這種方法也有其局限性，可能會(huì)導(dǎo)致消化物和附著在TNFs表面的有機(jī)物殘留。經(jīng)過三輪回收后，這些光催化TNFs的效率可能下降高達(dá)20%。盡管如此，由于TNFs具有較大的粒徑，其可回收性仍優(yōu)于TiO₂納米粒子，更便于從混合物中分離。

　　雖然本研究成功合成了TNFs，并建立了三個(gè)描述響應(yīng)參數(shù)的二次模型，但還存在一些局限性。其中一些局限性可能源于隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差，比如消化物在冰箱儲(chǔ)存過程中成分的變化，或是分光光度計(jì)Hach DR 3900的測量誤差。

·結(jié) 論·

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　　本研究證明，光催化TNFs在處理家禽糞便的厭氧消化物方面具有潛力。光催化過程能有效分解有機(jī)廢物，從而顯著降低了COD和VFA的含量，并去除了消化物的顏色。相較于TiO₂納米粒子，TNFs展示了更高的光催化效率，這可能與其較小的能帶間隙（約3.16 eV）有關(guān)。通過CCD/RSM（中心組合設(shè)計(jì)/響應(yīng)面方法）優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件，我們確定了各項(xiàng)去除率的最佳條件。綜合而言，使用光催化TNFs處理家禽糞便消化物可以有效地減少有機(jī)廢物和去除顏色，為處理類似的液體厭氧消化物或廢水提供了一種可行方案。

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