التقنيات المعتمدة على الضوء لتحسين البيئة Photo-assisted technologies for environmental remediation

المجلة: Nature Reviews Clean Technology، المجلد: 1، العدد: 3
DOI: https://doi.org/10.1038/s44359-025-00037-1
تاريخ النشر: 2025-03-04

التقنيات المعتمدة على الضوء لتحسين البيئة

بو وينغ منغ تشانغ ينغتشنغ لين جيا تشينغ يانغ جيانغكوان لو نينغ هان جيافانغ شيا هونغبينغ جيا باو-ليان سو مارتن روفارس يوهان هوفكنز يونغفا زو شاو بينغ وانغ وونيونغ تشوي ويو-مينغ تشنغ

الملخص

يمكن أن تؤدي العمليات الصناعية إلى تلوث الهواء والماء، لا سيما من الملوثات العضوية مثل التولوين والمضادات الحيوية، مما يشكل تهديدات لصحة الإنسان. تستفيد تقنيات الأكسدة الكيميائية المدعومة بالضوء من طاقة الضوء لتعدين هذه الملوثات. في هذه المراجعة، نناقش الآليات والكفاءات لعمليات الأكسدة المتقدمة المدعومة بالضوء لمعالجة مياه الصرف الصحي وتقنيات الفوتوحرارية لتنقية الهواء. يعزز دمج الطاقة الشمسية كفاءة التحلل ويقلل من استهلاك الطاقة، مما يمكّن من طرق معالجة أكثر كفاءة. نقيم الجوانب التكنولوجية للتقنيات المدعومة بالضوء، مثل الفوتو-فينتون، وتفعيل الفوتو-بيرسلفات، والفوتو-أوزون، والأكسدة الفوتو-كيميائية، مع التأكيد على إمكانياتها للتطبيقات العملية. أخيرًا، نناقش التحديات في توسيع نطاق التقنيات المدعومة بالضوء لتلبية احتياجات الترميم البيئي المحددة. لقد أظهرت التقنيات المدعومة بالضوء فعاليتها في الترميم البيئي، على الرغم من أن التطبيقات على نطاق واسع لا تزال مقيدة بالتكاليف العالية. ستتطلب التطبيقات المستقبلية المحتملة للتقنيات المدعومة بالضوء أن يتم اختيار التكنولوجيا وفقًا لسيناريوهات التلوث المحددة وأن يتم تحسين العمليات الهندسية لتقليل التكاليف.

الأقسام

مقدمة
تنقية المياه
تنقية الهواء
ملخص وآفاق المستقبل

النقاط الرئيسية

  • تعمل عمليات الأكسدة المتقدمة المدعومة بالصور بشكل فعال على معالجة مياه الصرف، بينما تُستخدم التقنيات الضوئية الحرارية في تنقية الهواء.
  • يمكن أن يعزز دمج الطاقة الشمسية كفاءة عمليات المعالجة ويقلل من استهلاك الطاقة.
  • تتفاعل الطاقة الشمسية مع عمليات الأكسدة الكيميائية، مما يؤدي إلى تكوين أنواع الأكسجين التفاعلية التي تسرع من تحلل الملوثات.
  • تستهلك عمليات معالجة مياه الصرف، مثل عملية أكسدة فينتون، كمية كبيرة من وهي بطيئة حركيًا. دمج الطاقة الشمسية يسرع العملية.
  • استخدام المجمعات البارابولية المركبة ومفاعلات برك السباق يُحسن من جمع الضوء ويمكّن من المعالجة عند تركيزات تصل إلى ملغرامات لكل لتر وأقل.
  • يمكن أن يساعد دمج تقنيات الأكسدة المتقدمة المختلفة في تقليل استهلاك الطاقة وتوسيع نطاق الملوثات التي يمكن أن تتعادل.

مقدمة

يمكن أن يؤثر تلوث المياه والهواء البيئي سلبًا على الصحة والأنظمة البيئية تقنيات المعالجة، مثل الأكسدة الكيميائية الامتصاص والترشيح تم تطويرها للقضاء على الملوثات العضوية. من بين هذه التقنيات، عمليات الأكسدة المتقدمة (AOPs) وأكسدة التحفيز الحراري تُستخدم بسبب مرونتها وقدرتها على تحقيق التمعدن الكامل للملوثات، مما يتجنب توليد ملوثات ثانوية. . ومع ذلك، يمكن أن تكون هذه الطرق مكلفة، مما يبرز الحاجة إلى حلول أكثر كفاءة وفعالية من حيث التكلفة .
يمكن أن يؤدي دمج الطاقة الشمسية في تقنيات المعالجة إلى تعزيز كفاءتها واستدامتها. يمكن أن تتفاعل الطاقة الشمسية مع عمليات الأكسدة الكيميائية لتعزيز توليد أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS). . هذا يسرع من تحلل الملوثات ويقلل الاعتماد على مصادر الطاقة الخارجية على سبيل المثال، في تفعيل فوتو-فينتون، وهو نوع نموذجي من العمليات المساعدة بالضوء، يعزز دمج الضوء كفاءة العملية من خلال توليد المزيد من الجذور الهيدروكسيلية وتمكين التحلل المعدني الكامل للملوثات مع الحد الأدنى من استهلاك الطاقة. تُستخدم تقنيات أخرى قائمة على الصور أيضًا في تنقية المياه والهواء. .
على الرغم من إمكانياتها، فإن عدة تحديات تعيق فعالية واعتماد تقنيات التنظيف المدفوعة بالضوء في التطبيقات البيئية العملية. التحدي الرئيسي يكمن في امتصاص الضوء المحدود من قبل المحفزات و/أو المؤكسدات. تنشأ هذه القيود من عاملين رئيسيين: طيف الامتصاص غير المثالي للمواد، الذي يقيّد نشاطها إلى جزء ضيق من الطيف الشمسي، والتداخل الناتج عن الشوائب في أنظمة التفاعل التحفيزي المدعوم بالضوء، التي تعكس أو تمتص الضوء. استقرار المحفزات هو أيضًا مصدر قلق ، حيث يمر العديد منها بالتدهور أو التعطيل مع مرور الوقت، مما يقلل من فعاليتها ويؤدي إلى تسرب الأيونات . علاوة على ذلك، وجود مواد متنافسة، بما في ذلك المعادن الثقيلة، وملوثات أخرى متواجدة في
يمكن أن تتداخل الوسائط الملوثة مع العملية التحفيزية، مما يقلل من توفر الأنواع التفاعلية المستحثة بالضوء اللازمة للتعافي الفعال. غالبًا ما تتطلب هذه المنافسة جرعات أعلى من المحفزات أو أوقات تفاعل مطولة، وكلاهما يمكن أن يؤثر سلبًا على الكفاءة العامة وملاءمة تقنية المعالجة. جانب آخر حاسم ولكنه غالبًا ما يتم تجاهله هو الجدوى الاقتصادية واستدامة تقنيات المعالجة المدفوعة بالضوء. خصوصًا للتطبيقات واسعة النطاق حيث يجب موازنة تكاليف إنتاج المحفز واستهلاك الطاقة بعناية لضمان الكفاءة العامة. إن معالجة هذه القضايا أمر حاسم لتقدم استخدام التقنيات المدفوعة بالضوء في الترميم البيئي العملي.
في هذه المراجعة، نقدم تطبيقات التقنيات المعتمدة على الضوء في تنقية المياه والهواء (الشكل 1). نستعرض عمليات الأكسدة المتقدمة المختلفة المعتمدة على الضوء، بما في ذلك فنتون الضوئي، وتفعيل البيرسلفيت الضوئي، والأوزون الضوئي، والأكسدة الكهروكيميائية الضوئية، لتنقية المياه، ونبرز آلياتها وكفاءتها. تم استبعاد التحفيز الضوئي القائم على أشباه الموصلات من هذه المراجعة حيث نهدف إلى تقديم الضوء كطريقة مساعدة بدلاً من كونه النهج الفني الرئيسي. كما نناقش تطبيقات وفوائد التقنيات الحرارية المعتمدة على الضوء لتنقية الهواء، وخاصة في معالجة المركبات العضوية المتطايرة (VOC). أخيرًا، نقيم مرحلة تطوير التكنولوجيا والتكاليف الاقتصادية لهذه التقنيات المعتمدة على الضوء لتقييم قابليتها للتطبيق العملي.

تنقية المياه

لإزالة الشوائب من الماء، تتضمن عمليات الأكسدة مثل أكسدة فينتون استهلاكًا عاليًا للمواد الكيميائية. مساهمة في التكاليف التشغيلية . هذه الطرق، على الرغم من فعاليتها، تبرز الحاجة إلى حلول أكثر كفاءة لتقليل الكمية من المؤكسدات والتكلفة الإجمالية للنظام. تم اقتراح استراتيجيات تهدف إلى تقليل التكلفة من خلال استغلال قوة الضوء لمعالجة هذا التحدي. (الشكل 2). من خلال دمج تقنيات الفوتوكيمياء مثل التحفيز بمساعدة الأشعة فوق البنفسجية (UV)، يمكن تحسين كفاءة تحلل المضادات الحيوية. . هذه الطريقة تقلل من متطلبات الطاقة الإجمالية وتستفيد من مصادر الطاقة المتجددة يمكن أن يؤدي دمج المواد والتقنيات المتقدمة لجمع الضوء إلى تحسين استخدام ضوء الشمس الطبيعي، مما يقلل من الاعتماد على مصادر الطاقة القائمة على الوقود الأحفوري. .

أكسدة فنتون المعززة بالصور

تولد عملية فينتون أنواعًا قوية من المؤكسدات (الشكل 2أ)، و ، من خلال التفاعلات بين و (المرجع 36) (المعادلة (1)). ومع ذلك، فإن الديناميكا البطيئة للتقليل الذاتي لـ Fe (III) ( تحد من التشغيل المستقر والعالي الكفاءة لعملية فينتون (المعادلة (2)). إدخال الطاقة المتجددة الخارجية في عملية فينتون – المعروفة بعملية فينتون الضوئية – هو استراتيجية لتسريع التفاعل. تحت إشعاع الضوء فوق البنفسجي، يكون في تفاعل فينتون يعزز اختزال الحديد (III) وينتج المزيد من (المراجع 38، 39) (المعادلة (3)). التحلل الضوئي لـ يساهم أيضًا في الإنتاج الإضافي لـ (المعادلة (4)). وبالتالي، مع مساعدة الضوء، فإن معدل يتم تحسين دورة الأكسدة والاختزال وعائد الأنواع النشطة المنتجة في تفاعل فنتون، مما يعزز تحلل الملوثات .

مقالة مراجعة

الشكل 1|تقنيات مساعدة بالضوء لتنقية المياه والهواء.
يمكن استخدام العمليات المتقدمة للأكسدة المدعومة بالضوء (AOPs) والتفاعل الحراري المدعوم بالضوء في معالجة مياه الصرف الصحي والهواء. يتم جمع مياه الصرف الصحي من الصناعات واستخدام المياه البلدية ونقلها إلى شبكة الصرف الصحي.
محطة معالجة للعلاج. يتم تنقية المياه العادمة التي تحتوي على ملوثات عضوية مقاومة باستخدام تقنيات الأكسدة المتقدمة المدعومة بالضوء. يمكن تنقية المركبات العضوية المتطايرة (VOCs) الناتجة عن الصناعة من خلال تقنيات حرارية مدعومة بالضوء.
مشكلة أخرى في عمليات فنتون التقليدية (سواء كانت متجانسة أو غير متجانسة) هي نطاق درجة الحموضة الضيق الذي تعمل فيه. يميل الحديد (III) إلى التحلل المائي عند ، مما يقلل من تركيز المعدن النشط في النظام لمعالجة هذه المشكلة، يمكن إدخال عوامل خلب عضوية في أنظمة فينتون المتجانسة، أو يمكن إضافة محفزات إلى أنظمة فينتون غير المتجانسة. بغض النظر عما إذا كان نظامًا متجانسًا أو غير متجانس، يمكن أن يؤدي إدخال الضوء إلى تعزيز كفاءة التحلل الحفزي لعملية فنتون. يمكن أن يساعد الضوء في التمعدن الكامل للمركبات العضوية والتقليل السريع لـ Fe (III) من خلال تحلل المنتجات الثانوية المؤكسدة جزئيًا، مثل معقدات الحديد (على سبيل المثال، الأوكسالات)، من خلال آلية نقل الشحنة من الليغاند إلى المعدن. تم إضافة عوامل ربط خلوية عضوية تحتوي على عدة مجموعات كربوكسيل (مثل حمض النيتريلوثلاثي الأسيتيك وحمض الإيثيلين diamine tetra-acetic) إلى تفاعل فوتو-فينتون لضمان الاستقرار التشغيلي عند درجة حموضة قريبة من المحايدة. يمكن أن يؤدي تنويع التركيب الكيميائي، والمجموعات الوظيفية، والتكوين الفراغي للروابط العضوية (على سبيل المثال، المجموعات المحتوية على النيتروجين، ومجموعات حمض الفوسفونيك، والروابط الرباعية السطحية الدائرية) إلى تحسين تفاعل فوتو-فينتون من خلال إنتاج الأنواع النشطة بشكل انتقائي وتمديد طول موجة الاستجابة الضوئية إلى النطاق المرئي أو القريب من الأشعة تحت الحمراء. .
تظهر أنظمة فينتون غير المتجانسة أداءً معززًا في إزالة الملوثات تحت الضوء. يمكن أن تزيد كفاءة الإزالة من 2 إلى 13 مرة، اعتمادًا على الخصائص الفيزيائية والكيميائية لمحفزات فينتون الضوئية. تشمل الآليات الأساسية سلوك أشباه الموصلات لأكاسيد الحديد (III) ، والتنشيط المباشر لعينات الهيدروكسيل السطحية و وتسرب أيونات الحديد (II) والحديد (III)، مما يجمع بين ميزات الكيمياء غير المتجانسة والمتجانسة في عملية فوتو-فينتون المتجانسة، يتأثر إنتاج الأنواع النشطة بشكل كبير بخصائص الاستجابة الضوئية لـ م aggregates . وبالتالي، هيكل الهيدروكسيليت تم ربط الأنواع بتوليد الأنواع النشطة تحت ظروف تفاعل متغيرة، مثل الرقم الهيدروجيني و تركيز . بدلاً من ذلك، فإن التلاعب بحالة الدوران لذرات المعادن النشطة في المحفزات غير المتجانسة يمثل استراتيجية فعالة لتوجيه توليد الأنواع النشطة في تفاعل فوتو-فينتون. تتأثر حالات الدوران لذرات المعادن بشكل كبير بالخصائص الإلكترونية لمواد الدعم. . علاوة على ذلك، تصميم المحفزات الضوئية غير المتجانسة القادرة على التوليد في الموقع لـ المعروفة بتفاعل الصورة الذاتية فينتون – يمكن أن تقلل من الحاجة إلى الخارج (مرجع 56).
يتم استخدام الأكسدة فنتون التقليدية المتجانسة كعملية معالجة مسبقة قبل المعالجة البيوكيميائية أو كمعالجة متقدمة بعد محطات معالجة مياه الصرف الصحي التقليدية لإزالة الملوثات الناشئة. بالمقارنة مع تفاعل فينتون التقليدي المتجانس، يظهر تفاعل فينتون الضوئي المتجانس عائدًا أعلى من الأنواع النشطة، مما يؤدي إلى زيادة معدل التمعدن مقارنة بعملية فينتون. .
الشكل 2 | تقنيات مساعدة بالضوء لتنقية المياه. آليات التقنيات المساعدة بالضوء لتنقية المياه. أ، في أكسدة فينتون المساعدة بالضوء، يمكن للضوء أن يقوم بتفكيك أو تحفيز المحفزات لتوليد الإلكترونات التي ستفكك لإنتاج الجذير الهيدروكسيلي، . ب، في تنشيط البيرسلفات بمساعدة الضوء، يتم تنشيط البيرسلفات بواسطة الضوء مباشرة أو بواسطة حامل شحنة تم توليده بالضوء لإنتاج و . ج، في الأوزون المساعد بالضوء، يمكن أن يتفاعل الأوزون مع الضوء فوق البنفسجي (UV) أو الإلكترونات المثارة ضوئيًا لإنتاج و الجذور الحرة التي تتفاعل مع الملوثات في الماء وتزيلها. تمثل الأسهم الكاملة المسار الرئيسي للتفاعل، بينما تشير الأسهم المتقطعة إلى المسارات الثانوية للتفاعل. د. في الأكسدة الكهروكيميائية المعززة بالضوء، يمكن أن يثير الضوء إما الأنود الضوئي أو نظام الخلايا الشمسية لإنتاج حوامل الشحنة لتكوين أنواع الأكسجين التفاعلية. هـ، الطاقة الكهربائية ( ) مطلوب لتقليل تركيز الملوث بمقدار مرتبة واحدة
من حيث الحجم في الماء يختلف في العمليات المتقدمة للأكسدة المعززة بالضوء. القيم مستندة إلى بيانات من المرجع 63 وإعداد تجريبي محدد مع ظروف مسيطر عليها، بما في ذلك جودة المياه، والملوثات المستهدفة، وغيرها من المعلمات العملية ذات الصلة. عندما تكون البيانات الحركية متاحة، يتم استبعاد المركبات القابلة للأكسدة المباشرة (على سبيل المثال، بواسطة الأوزون أو التحلل الضوئي بالأشعة فوق البنفسجية) من الاعتبار. بالنسبة للعمليات المعتمدة على الأوزون والأشعة فوق البنفسجية، يتم تحديد القيم الحدية لثوابت المعدل عند و تظهر الرسوم البيانية الصندوقية الأرباع مع الخط المركزي الذي يشير إلى الوسيط والأذرع الممتدة إلى نطاق الربع المتداخل. CB، نطاق توصيل المحفز؛ LMCT، نقل الشحنة من ligand إلى المعدن؛ PDS، بيروكسي ديسولفات؛ PMS، بيروكسي مونو سلفات؛ VB، نطاق التكافؤ للمحفز. تم تعديل اللوحة e بإذن من المرجع 63، إلسفير.
تقلل هذه التحسينات من الطلب على المواد الكيميائية المؤكسدة وتخفض التكاليف التشغيلية لتفاعل فوتو-فينتون المتجانس، مما يبرز إمكانيته للتطبيقات على نطاق واسع مماثلة للأكسدة الفينتونية المتجانسة التقليدية. لقد تم إثبات الجدوى الفنية لعملية فوتو-فينتون المتجانسة في مفاعل بركة السباق بسعة معالجة (المرجع 61). قد تُستخدم هذه التكنولوجيا لتعزيز قابلية التحلل الحيوي لمياه الصرف وإزالة الملوثات الناشئة، مثل الميكروبلاستيك والملوثات العضوية الثابتة، في المياه المعالجة الثانوية في محطات معالجة مياه الصرف. .
على الرغم من التباين العالي في جودة المياه، وسعة العملية، والمواد المستهدفة، فإن القيمة المتوسطة للطاقة الكهربائية لكل
طلب ( ، يُعرّف بأنه الطاقة الكهربائية (كيلووات ساعة) المطلوبة لتقليل ملوث بمقدار مرتبة واحدة في من الماء) من تفاعل فوتو-فينتون يعتبر في مستوى متوسط بين تقنيات AOP (الشكل 2e). يمكن أن يساعد استخدام المجمعات البارابولية المركبة ومفاعلات برك السباق في تقليل استهلاك الطاقة لعملية فوتو-فينتون، من خلال تحسين قدرات جمع الضوء للتفاعل. عادةً، عندما تكون تركيزات الملوثات في نطاق المليغرامات لكل لتر أو أعلى، يتم استخدام المفاعلات الضوئية الأنبوبية مع مجمعات بارابولية مركبة على نطاق واسع لأنها يمكن أن تعظم استخدام طاقة الإشعاع (الشكل 3أ). لإزالة الملوثات عند تركيزات أقل، ظهرت مفاعلات برك السباق كبديل بسبب
تكلفة إنتاج منخفضة مقارنةً بالمفاعلات الأخرى، حجم كبير بالنسبة للسطح، ومرونة في تحسين عمق السائل وفقًا لقوة الإشعاع (الشكل 3ب).

تنشيط البيرسلفات بمساعدة الصور

بالمقارنة مع الجذور الهيدروكسيلية ( ) تم إنشاؤه في -مبني على (أو عمليات الأكسدة القائمة على) ، جذور الكبريتات ( تقدم مزايا ملحوظة (الشكل 2ب). تشمل هذه المزايا عمر نصف أطول ( ثانية مقابل 20 نانوثانية لـ ) وإمكانات اختزال أكسدة أعلى (2.5-3.1 مقارنةً بـ 1.9-2.7 لـ علاوة على ذلك، فإن سهولة نقل وتخزين أملاح البيرسلفات الصلبة (مثل بيروكسي ديسلفات وبيروكسي مونو سلفات)، إلى جانب كفاءتها العالية في توليد الجذور و ) وأنواع غير جذرية ( والمعادن عالية التكافؤ-أوكسي)، جعلت تقنية الأكسدة بمساعدة الضوء باستخدام البيرسلفات واحدة من أكثر العمليات المؤكسدة المتقدمة صلةً بتنقية المياه. .
منذ أن بدأ استخدام ضوء الأشعة فوق البنفسجية لتفعيل بيروكسيد السلفيت لقد تطور تطوير الأكسدة بمساعدة الضوء باستخدام البيرسلفات من عمليات التنشيط المتجانسة المعتمدة على الضوء إلى التحفيز غير المتجانس المدفوع بالتحفيز الضوئي. تشمل المحفزات المستخدمة عادة في أكسدة البيرسلفات المعززة بالضوء أكاسيد قائمة على المعادن ومركباتها (مثل أكاسيد البزموت، وأطر المعادن العضوية القائمة على الحديد والتيتانيوم، وثنائي كبيدات المعادن الانتقالية، والمواد غير المعدنية (مثل نيتريد الكربون الجرافيتي ( )، نقاط كوانتوم الكربون ودياميد بيريلين) ومركباتها بالإضافة إلى تعزيز توليد الجذور، يمكن أن يعزز استخدام المحفزات الضوئية في تنشيط البيرسلفات أيضًا تشكيل الأنواع غير الجذرية. . هذه الأنواع تمكّن الأكسدة غير الجذرية للملوثات، والتي تبرز كاستراتيجية لإزالة التلوث نظرًا لمقاومتها القوية لمصفوفات المياه المعقدة وكفاءتها العالية في استخدام البيرسلفات (حتى ) مع نسبة ستوكيومترية منخفضة .
نقل الطاقة ونقل الإلكترون هما آليتان مقبولتان للأكسدة بمساعدة الضوء باستخدام البيرسلفات. يمكن أن يؤدي نقل الطاقة الذي يتم بوساطة إشعاع الضوء الخارجي إلى تحفيز التحلل المتماثل لرابطات البيروكسيد داخل البيروكسي مونو سلفات والبيروكسي ديسلفات، مما ينتج و/أو في تنشيط البيرسلفات المتجانس المعزز بالصور . بالإضافة إلى ذلك، بيروكسيمونوكبريتات وبيروكسيديسولفات
مجمعات بارابولية مركبة
الشكل 3 | تشغيل المجمعات البارابولية المركبة ومفاعلات برك السباق. يمكن أن تحسن المجمعات البارابولية ومفاعلات برك السباق من جمع الضوء وتساعد في تقليل استهلاك الطاقة في عملية فوتو-فينتون. أ، يمكن للمجمعات البارابولية المركبة تركيز وعكس معظم الإشعاع الساقط إلى الممتص، وتعمل المفاعلات الضوئية الأنبوبية على تحقيق أقصى استفادة.
يمكن للجزيئات أن تعمل كقابلات للإلكترونات، حيث تلتقط الإلكترونات المتولدة على سطح المحفزات الضوئية المعرضة للضوء. يمكن للإلكترونات الناتجة عن الضوء تنشيط بيروكسي ديسولفات وبيروكسي مونو سولفات من خلال عمليات نقل الإلكترون. محفزات حساسة للضوء، بما في ذلك تتميز الأطر العضوية المعدنية القائمة على الحديد والتيتانيوم، وثنائي كبريتيدات المعادن الانتقالية، عادةً بوجود هياكل سطحية متعددة وتمتلك أنشطة تحفيزية مختلفة في تفعيل البيرسلفيت، مما يمكن أن يؤدي إلى تكوين أنواع الأكسجين التفاعلية وبالتالي تحلل الملوثات. استخدام المواد المستجيبة للضوء له مزايا لأنه يوسع نطاق امتصاص الضوء من الأشعة فوق البنفسجية إلى المناطق المرئية والقريبة من الأشعة تحت الحمراء. . ومع ذلك، فإن التصميم العقلاني للمواد المحفزة الضوئية مع تفعيل البيرسلفات المعزز بالضوء القريب من الأشعة تحت الحمراء لا يزال يمثل تحديًا تكنولوجيًا.
تعتمد أداء تنقية المياه من خلال أكسدة البيرسلفات المعززة بالضوء على أنواع الجذور الحرة التفاعلية ومقاومتها لمصفوفة المياه (مثل الرقم الهيدروجيني والأيونات غير العضوية). نظرًا للنطاق الأوسع من ثوابت سرعة التفاعل من الدرجة الثانية لـ مع الملوثات العضوية ( مقارنة مع لـ OH) ومسارات الأكسدة المفضلة لها ، الـ يعتبر الجذري مؤكسدًا أكثر انتقائية من (المرجع 76). لقد أدت هذه الانتقائية إلى تصميم عمليات إزالة التلوث المحددة لمصفوفة المياه على سبيل المثال، تم استخدام أنظمة الهجين المعتمدة على الأشعة فوق البنفسجية في معالجة مياه الصرف الصحي الثانوية على نطاق تجريبي وصناعي لإزالة مختلف الملوثات الدقيقة والبكتيريا والجينات المقاومة للمضادات الحيوية المرتبطة بها. . ومع ذلك، فإن التنفيذ العملي لتقنيات الأكسدة بمساعدة الصور في المرافق المتعلقة بالمياه لا يزال في مراحله الأولى على سبيل المثال، يركز تطبيق الطيار على أكسدة البيرسلفات المعززة بالضوء بشكل رئيسي على عمليات الأكسدة المتجانسة المعتمدة على الأشعة فوق البنفسجية A، مع حجم مياه الصرف المعالجة حوالي (المرجع 77). على الرغم من أن هذا التطبيق على نطاق تجريبي قد يكون مناسبًا لأنظمة تنقية المياه عند نقطة الاستخدام، إلا أنه لا يزال غير معروف إلى حد كبير ما إذا كانت هذه التكنولوجيا لديها القدرة على تنقية المياه العادمة الحقيقية من محطات معالجة sewage الكبيرة. في اليوم). لذلك، يجب تقييم الجدوى الفنية لتنقية مياه الصرف الصحي على نطاق واسع باستخدام هذه التقنيات، بالإضافة إلى توافقها والصراعات المحتملة مع تقنيات التنقية الحالية. .
مفاعلات بركة سباق ب
استخدام طاقة الإشعاع. ب، تحتوي مفاعلات برك المسار على نسبة عالية من السطح إلى الحجم ومرونة لتحسين عمق السائل. المياه المعالجة مسبقًا والعوامل المساعدة (على سبيل المثال، ويدخل المحفزات القائمة على الحديد) إلى المفاعل من خلال أنبوب إدخال عمودي، ويتم جمع المياه المعالجة من خلال أنبوب إخراج عمودي.
من بين مؤشرات أخرى، حجم استهلاك الطاقة ( القيمة المرتبطة بإنتاج المؤكسدات والعوامل المساعدة وتدهور الملوثات) هي معلمة تقييم بيئية واقتصادية متاح تتراوح القيم لعمليات الأكسدة بمساعدة الصور باستخدام البيرسلفات النموذجية من إلى طلب (مرجع 75). الاختلافات في تنبع القيم من العديد من العوامل، مثل أنواع الملوثات، وظروف مصفوفة المياه، وإجراءات تخليق المحفز، والهدف النوعي لتنقية المياه. . نظرًا للنطاق الواسع من القيم، قد لا تسهم إدخال المحفزات الضوئية بالضرورة في خفض القيمة أو إلى تنقية المياه الصديقة للبيئة في بعض الحالات . بالمقارنة مع عملية الأكسدة المتجانسة باستخدام البيرسلفات المعززة بالصور، فإن حساب قيم العمليات غير المتجانسة التي تتوسطها المحفزات الضوئية أكثر تعقيدًا تنبع هذه التحديات بشكل أساسي من نقص البيانات والشكوك المحيطة باستهلاك الطاقة المرتبط بإمكانية إعادة تدوير واستخدام المحفزات في سيناريوهات تنقية المياه العادمة الحقيقية، مما يجعل من الصعب إجراء تقييم شامل للاستدامة. يُشجع على وضع بروتوكولات موحدة توضح إعداد المحفزات الضوئية وإمكانية إعادة تدويرها واستخدامها بدقة لحساب استهلاك الطاقة، وبالتالي المساعدة في تطوير تقنية الأكسدة بمساعدة الضوء باستخدام بيرسلفات مع بصمة كربونية منخفضة.

الأوزون المعزز بالصور

الأوزون، كعامل مؤكسد قوي، قد تم استخدامه في تنقية مياه الصرف الصحي بفضل قوته العالية في اختزال الأكسدة. . ومع ذلك، فإن استخدام الأوزون وحده يواجه عيوبًا تتمثل في ارتفاع تكلفة الإنتاج (الولايات المتحدة الأوزون لتركيز الأوزون حوالي معامل نقل الكتلة الحجمي البطيء اعتمادًا على ظروف التشغيل وانخفاض كفاءة التمعدن نظرًا لانحلال الأوزون النسبي الضعيف واستقراره في الماء، بالإضافة إلى تفاعليته الانتقائية مع المركبات العضوية في الظروف الحمضية دمج الضوء مع الأوزون، سواء من خلال الأشعة فوق البنفسجية المتجانسة – عمليات أو ضوء غير متجانس أنظمة أشباه الموصلات، هي ميزة استهلاك الأوزون، لكل ملليجرام من إزالة الكربون العضوي الكلي (TOC)، من ضوء- تم الإبلاغ عن نظام أشباه الموصلات ليكون حوالي من نظام الأوزون البسيط . في نظام غير متجانس (الشكل 2ج)، يقوم الضوء بتحفيز أشباه الموصلات لتوليد إلكترونات تتفاعل بشكل مفضل مع الأوزون بدلاً من بسبب الكهربية العالية للأوزون، مما يؤدي إلى توليد المزيد من أنواع الأكسجين التفاعلية، بما في ذلك و لتحسين تحلل الملوثات التفاعل بين الأوزون والإلكترونات يساعد أيضًا في فصل أزواج الإلكترون والثقب. المواقع النشطة الوفيرة على سطح المحفزات الضوئية، مثل و تعزيز التفاعل بين أنواع الأكسجين التفاعلية والملوثات، والتغلب على نقل الكتلة في تفاعل الأوزون. . علاوة على ذلك، عندما يتعرض مباشرةً لأشعة UV، فإنه يتفكك لتوليد الأكسجين الذري، الذي يمكن أن يتفاعل لاحقًا مع الماء لإنتاج (مرجع 84).
تظهر الأوزونيات الضوئية المحفزة كفاءات أكسدة معززة بشكل تآزري (معدل زائف من الدرجة صفر من ) مقارنة مع التحفيز الضوئي ( ) والأوزون ( أنظمة تعمل بشكل منفصل يتضح التأثير التآزري للأوزون الضوئي في زيادة كفاءات التحلل و/أو التمعدن أو ثوابت معدل الأكسدة للمركبات العضوية. معدل الثابت الظاهر للأوزون الضوئي هو 9.5 و 1.6 مرة أعلى من معدل التحفيز الضوئي والأوزون، على التوالي، لتعدين المركبات العطرية. . تُعزى هذه الكفاءة إلى توليد المزيد من المواد التفاعلية ولكن
غير انتقائي التي تتفاعل مع جميع الجزيئات العضوية تقريبًا بمعدلات خلال عملية الأوزون الضوئي المحفز .
على الرغم من التأثيرات التآزرية للأوزون الضوئي في تحلل الملوثات في الماء، يجب أيضًا أخذ جدواها الاقتصادية في الاعتبار لتقييم الاستدامة. يبدو أن الأوزون الضوئي، الذي يتطلب طاقة كهربائية إضافية لتوليد الأوزون، أكثر تكلفة في البداية من التحفيز الضوئي البسيط، الذي يستهلك فقط الكهرباء لمصادر الإشعاع الضوئي. عند مقارنة تكاليف تقنيات الأكسدة هذه لمعالجة المياه، يجب أن تأخذ استهلاك الطاقة المحدد لكل نظام في الاعتبار الملوثات المتحللة. . أخذ نظام UVA كمثال، يتركز استهلاك الطاقة بشكل أساسي على الطاقة الكهربائية اللازمة لتوليد والإشعاع، الذي يعد التكلفة التشغيلية الرئيسية لتلك العمليات المختلفة متطلبات الطاقة للأوزون الضوئي الحفاز هي طلب ، وهو أقل من استهلاك الطاقة في التحفيز الضوئي ( طلب ) و وحيد وبناءً عليه، يمكن حساب تكلفة التشغيل للأنظمة المختلفة بناءً على أسعار الكهرباء المحلية. وقد تم الإبلاغ عن نتائج مماثلة في الأدبيات. مظهراً فعالية التكلفة للأوزون الضوئي.

الأكسدة الكهروكيميائية المعززة بالصور

على الرغم من أن تقنية الأكسدة المتقدمة الكهروكيميائية تظهر وعدًا للتطبيقات الصناعية، إلا أن متطلبات الكهرباء العالية تزيد من تكاليف التشغيل. يُعتبر دمج الطاقة الشمسية في عمليات الأكسدة المتقدمة الكهروكيميائية استراتيجية فعالة لتعزيز الكفاءة وتقليل متطلبات الطاقة. (الشكل 2د).
هناك مساران عامان لتحقيق عمليات الأكسدة الكهروكيميائية المعززة بالضوء. النوع الأول يتكون من ربط إدخال الطاقة الخارجية (ضوء الأشعة فوق البنفسجية أو خلايا الطاقة الشمسية) مع جهاز التحليل الكهربائي (UV-EC أو PV-EC، الشكل 4a). يتضمن جهاز التحليل الكهربائي كاثودًا وأنودًا وإلكتروليت، حيث يكون الأنود والكاثود مسؤولين عن إزالة الملوثات من خلال تفاعلات الأكسدة والاختزال المباشرة أو الإنتاج غير المباشر للأنواع النشطة من الجذور الحرة. تتحدد كفاءة وعمر جهاز التحليل الكهربائي بشكل أساسي من خلال ركيزة الإلكترود، والعوامل المحفزة الكهربائية في الكاثود والأنود، وعمليات التصنيع. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يعزز المعالجة المسبقة لمياه المدخل وإضافة المؤكسدات القوية لتسريع توليد الأنواع النشطة من الجذور الحرة بشكل كبير إنتاج مياه صرف عالية الجودة. في نظام PV-EC، يحتوي المحلل الكهربائي على أنودات كهربائية محفزة، مثل الأنودات المستقرة أبعادياً وأقطاب الماس المخدوم بالبورن. يتم تشغيله بواسطة خلايا PV قائمة على السيليكون التجارية. في نظام UV-EC، يمكن أن ينشط الضوء فوق البنفسجي الإلكتروليت لإنتاج أنواع جذرية حرة، مما يعزز تحلل الملوثات. . لقد ثبت أن نظام PV-EC عملي لتوريد المياه في المناطق الريفية على نطاق صغير، ولكنه مقيد بالتكاليف العالية (حوالي الولايات المتحدة ) المرتبطة بالمعدات والصيانة لأسباب اقتصادية، قد يكون تطبيق هذا النظام أكثر ملاءمة في المناطق التي تتلقى المزيد من ضوء الشمس على مدار السنة وتتميز بتدفقات مؤثرة مركزة. .
النوع الثاني من عملية الأكسدة الكهروكيميائية المعززة بالضوء يتضمن استخدام مواد شبه موصلة لتحضير الأقطاب الضوئية لعملية الأكسدة المتقدمة الكهروكيميائية المعززة بالضوء (PECAO، الشكل 4b). في PECAO، يسهل استخدام الأقطاب الضوئية إعداد المعدات ويمكّن من اتصالات أكثر ملاءمة مع مكونات متعددة الوظائف مقارنةً بنظام PV-EC. علاوة على ذلك، يمكن تحقيق كفاءة أعلى في فصل الشحنات واستعادة أسهل للعامل المساعد مقارنةً بنظام التحفيز الضوئي. في نظام PECAO، يتم استخدام الطاقة الشمسية بواسطة

نظام إلكتروليزر UV و PV

نظام الأكسدة المتقدمة الكهروضوئية

الشكل 4 | عمليات الأكسدة الكهروكيميائية المعززة بالضوء.

نظام التحليل الكهربائي بالأشعة فوق البنفسجية (UV) والتحليل الكهربائي بالطاقة الشمسية (PV).
نظام الأكسدة المتقدمة الكهروكيميائية الضوئية (PECAO). الخصائص الرئيسية لأنظمة الأكسدة المتقدمة الكهروكيميائية لتطبيقات معالجة مياه الصرف الصحي العملية. يقلل المعالجة المسبقة من تداخل مياه المدخل، بينما يعزز وضع التدفق المستمر سعة الإنتاج واستقرار التشغيل. تحت ضوء الشمس، يمتص الأنود الضوئي طاقة الضوء لتوليد الفجوات والإلكترونات. طبقة رقيقة على الأنود الضوئي تحسن كفاءة استخدام الضوء. الكاثود يحفز اختزال الأكسجين إلى
تنتج أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS)، مع إضافات الإلكتروليت التي تسرع من توليدها. تحدد المتانة الميكانيكية للأقطاب الكهربائية عمرها الافتراضي، مما يؤثر بشكل مباشر على طول عمر الجهاز بشكل عام. يقلل فقدان المقاومة المنخفض في النظام من استهلاك الطاقة غير الضروري ويحسن الاستقرار التشغيلي. من خلال ربط الأنود الضوئي والكاثود، يتم إزالة الملوثات العضوية بكفاءة. علاوة على ذلك، يمكن أن يؤدي ضبط الخصائص الحفازة ومعلمات التشغيل إلى إنتاج منتجات ثانوية ذات قيمة مضافة مستهدفة، مما يعزز الجدوى الاقتصادية للعملية. D، منتجات التحلل؛ P، الملوثات.
يقلل الفوتوإلكترود من الجهد المطلوب لتحفيز التفاعلات، في حين أن الانحياز المطبق يسرع من عملية فصل الشحنات تحت تأثير حقل كهربائي. يشمل نظام PECAO التحفيز الضوئي الكهربائي، والأكسدة الكهروكيميائية الضوئية، والتخثر الكهروضوئي، وعمليات فنتون الكهروكيميائية الضوئية. تخضع الأقطاب الضوئية في نظام PECAO لعمليات مشابهة لاستخدام ضوء الشمس. عند امتصاص ضوء الشمس، تولد الأقطاب الضوئية إلكترونات وثغرات في نطاق التوصيل ونطاق التكافؤ، على التوالي. يتم نقل الإلكترونات إلى القطب المضاد، بينما تحفز الثقوب تفاعلات مختلفة. في التحفيز الكهروضوئي، تساعد الثقوب في تكوين أنواع الأكسجين التفاعلية عند وصولها إلى سطح المحفزات الكهروضوئية. في الأكسدة الضوئية الكهروكيميائية، تقوم الثقوب بأكسدة الملوثات مباشرة. في التخثر الضوئي الكهربائي، تعمل الثقوب على تسريع الذوبان الكهروكيميائي للأنود، مما يؤدي إلى تكوين عوامل التخثر. في عمليات فنتون الكهروضوئية، تعزز الثقوب تفاعل فنتون. . بالنظر إلى أن أنظمة التشغيل الروبوتية المختلفة (على سبيل المثال، ، و تمتلك قيم جهد قياسية مميزة، واتجاهات تفاعل، ومسارات تحويل معقدة، حيث يظهر الأكسدة الكهروكيميائية المعززة بالضوء إمكانيات من خلال تقديم طريقة مريحة.
للتحكم في توليد ROS بتراكيب محددة لمعالجة مياه الصرف المستهدفة .
تتكون الأقطاب الضوئية في PECAO عمومًا من أشباه الموصلات غير العضوية، مثل و التي تحتوي على واجهة صلبة-سائلة محدودة لكل من الأقطاب الضوئية الكثيفة والضخمة، مما يؤدي إلى كفاءات منخفضة المواد المسامية، مثل الإطارات المعدنية العضوية والإطارات العضوية التساهمية، التي تمتلك هياكل مرتبة للغاية، ومسامات كبيرة، وسطح مسامي متنوع، من المتوقع أن تؤدي إلى معالجة فعالة لمياه الصرف بسبب مسارات نقل الكتلة السريعة والمواقع النشطة المكشوفة الوفيرة. نظرًا لأن معظم أنواع Reactive Oxygen Species (ROS) تتولد على الجانب الأنودي بواسطة الثقوب الناتجة عن الضوء، يمكن للقطب السالب قبول الإلكترونات الناتجة عن الضوء لتحفيز اختزال الأكسجين لتوليد في محلول مشبع باستخدام المواد الكربونية على الرغم من أن المواد الكربونية رخيصة ومتاحة بسهولة مقارنة بالمواد المعدنية، إلا أنها قصيرة العمر وغير مستقرة في المحاليل الكهربائية، مما يحفز تطوير مواد غير مكلفة ذات استقرار عالٍ. . بدلاً من ذلك، يمكن أن يعزز كاثود مستقبل الإلكترون-الأيون فصل الإلكترونات والفجوات، مما ينتج عنه جذور حرة مؤكسدة قوية عند الأنود الضوئي استنادًا إلى الدراسات الآلية لنقل الشحنة، وديناميات الفصل، والاختزال والأكسدة

مقالة مراجعة

التفاعلات على الأقطاب الضوئية، يُوصى بمزيد من البحث لاستكشاف العلاقة بين الهيكل والنشاط فيما يتعلق بتوليد أنواع الأكسجين التفاعلية وتفاعلاتها مع الملوثات. ستساعد هذه المعرفة في تعزيز تطوير PECAO للتطبيقات العملية في معالجة مياه الصرف.
على الرغم من بذل جهود كبيرة لتحسين خصائص نظام PECAO في ظل ظروف محاكاة مبسطة في المختبر، لا تزال التحديات قائمة لتطبيقه العملي. تفرض معالجة مياه الصرف الصحي في العالم الحقيقي متطلبات أعلى على تصميم نظام PECAO والأقطاب الكهربائية بسبب التداخلات المعقدة، وتغير جودة المياه، وأحجام المياه الكبيرة (الشكل 4ج). لتقليل التداخلات، تعتبر ترشيح الأغشية عملية معالجة مسبقة شائعة تستخدم لإزالة الجسيمات الصلبة المعلقة والجسيمات الغروية في مياه الصرف الصحي. علاوة على ذلك، لتحسين قدرة الإنتاجية لنظام PECAO، يمكن أن يؤدي التصميم العقلاني لمفاعلات التدفق المستمر والأقطاب الكهربائية الأكبر ذات المساحة السطحية المحددة الأعلى إلى تعزيز نقل الكتلة وكفاءة المعالجة . لزيادة كفاءة استخدام الضوء بشكل أكبر، قد يكون تقليل سمك أشباه الموصلات والإلكتروليتات بين الأقطاب الكهربائية ومصدر الضوء استراتيجية فعالة من حيث التكلفة . بالإضافة إلى ذلك، قد يكون تصميم الأقطاب الضوئية التي تستجيب للضوء القريب من الأشعة تحت الحمراء نهجًا فعالًا لزيادة استخدام ضوء الشمس .
عمر نظام PECAO هو جانب آخر مهم يتأثر بشدة بخصائص مياه الصرف الصحي واستراتيجيات التحسين المذكورة أعلاه . ومع ذلك، تركز الأبحاث الحالية على نظام PECAO بشكل أساسي على جدواه، ولا يزال تطبيقه العملي محدودًا جدًا. تحدد الاستقرار الميكانيكي لتثبيت المحفزات على الأقطاب الكهربائية بشكل أساسي عمر النظام، خاصة في أنظمة التدفق المستمر . تم تطوير طرق تحضير متقدمة للأقطاب الكهربائية، مثل الترسيب بالرش والترسيب الطبقي الذري، لتحسين الاستقرار الميكانيكي للمحفزات. تركز طريقة الرش على ترسيب الأفلام الرقيقة على سطح السيليكون و/أو زجاج الرقاقة، ويمكن أن تخلق طريقة الترسيب الطبقي الذري أقطابًا كهربائية مسطحة أو نانوية .
أخيرًا، يحد تكلفة استهلاك الطاقة الكهربائية من نسبة الناتج إلى المدخلات الحالية لنظام PECAO وتقنيات الأكسدة الكهروكيميائية المدعومة بالضوء الأخرى . إن تقليل التكلفة الكهربائية غير الضرورية وزيادة الإيرادات المضافة من شأنه تعزيز التطبيق العملي لنظام PECAO . يمكن تقليل التكلفة الكهربائية عن طريق خفض الفقد المقاوم لكل مكون في الأجهزة وتطوير الأقطاب الكهربائية لاستخدام الطاقة الشمسية . يمكن زيادة الإيرادات المضافة من خلال ربط عمليات الأكسدة الكهروكيميائية المدعومة بالضوء مع عمليات الإنتاج ذات القيمة المضافة، مثل الاختزال أو التطور، عندما تكون تركيزات الملوثات منخفضة ويمكن استخدام كمانح للإلكترونات للتخمر اللاهوائي . على الرغم من أن تقنيات الأكسدة الكهروكيميائية المدعومة بالضوء تواجه حاليًا تحديات تتعلق بالتكلفة والعمر، إلا أنها أظهرت إمكانات لمعالجة المياه المستدامة.

عمليات الأكسدة المدعومة بالضوء المتكاملة المتعددة

قد يساعد ربط تقنيات AOP المتعددة في تحقيق نتائج معالجة مياه أكثر كفاءة وتقليل استهلاك الطاقة الإجمالي، مقارنة بتقنيات الأكسدة المتقدمة الفردية . من خلال دمج AOPs المختلفة، يمكن توليد مجموعة واسعة من الأنواع التفاعلية والجذور مثل الجذور الهيدروكسيلية، والجذور المشتقة من الكبريتات والأوزون . تزيد هذه التنوع من احتمالية استهداف وتحلل مجموعة أوسع من الملوثات . يمكن أن يؤدي إدخال الضوء إلى تنشيط المحفزات و/أو المحسسات داخل النظام، مما يؤدي إلى توليد أنواع تفاعلية إضافية. يمكن أن تسرع هذه الأنواع التفاعلية
تحلل الملوثات وتحسن الكفاءة العامة للطاقة لعملية المعالجة . على سبيل المثال، تجمع عملية فوتو-فينتون بين مزايا عمليات فوتو-فينتون وكهرباء-فينتون , باستخدام الضوء لتعزيز إنتاج الجذور الهيدروكسيلية بينما يقوم المكون الكهروكيميائي بتجديد المحفز الحديدي وبيروكسيد الهيدروجين، مما يضمن تحلل الملوثات بشكل مستمر.
بالإضافة إلى ذلك، يساعد الضوء في تجديد من ، مما يحافظ على الدورة التحفيزية ويساعد على الإنتاج المستمر للجذور الهيدروكسيلية. يمكن تحسين استقرار المحفزات على مدى فترات أطول من خلال دمج الضوء مع AOPs المتعددة، مما يقلل من الحاجة إلى استبدال المحفزات أو تجديدها بشكل متكرر . أظهر نظام فوتو-فينتون الشمسي المدمج وفوتوكاتاليز الشمسي كفاءة واستقرار أعلى من الأكسدة الكهروكيميائية وعمليات فوتو-فينتون تجاه تحلل حمض الساليسيليك . تم تحديد استهلاك الطاقة للنظام المدمج عند ليكون TOC عند 360 دقيقة، وهو أقل تكلفة من فوتو-فينتون الشمسي ( ) والأكسدة الأنودية- -فوتوكاتاليز الشمسي ( )، مما يؤكد جدوى نظام فوتو-فينتون الشمسي وفوتوكاتاليز الشمسي لمعالجة مياه الصرف الملوثة .
يمكن أن تحسن تقنيات متعددة مدعومة بالضوء كفاءة المعالجة، ولكن هناك تحديات، مثل تعقيد آليات التفاعل وخطر تكوين المنتجات الثانوية . يمكن أن تؤدي التفاعلات بين الأنواع المؤكسدة المختلفة والملوثات إلى مسارات تفاعل غير متوقعة، مما قد ينتج عنه منتجات ثانوية ضارة . يمكن تحسين هياكل الأنظمة المتعددة المدعومة بالضوء بشكل عقلاني لتكون أكثر كفاءة من خلال اعتبارات استراتيجية عبر عوامل متعددة، بما في ذلك اختيار تركيبات AOP، وتطوير المحفزات، وظروف التفاعل وتصميم المفاعلات . تولد AOPs المدعومة بالضوء أنواعًا تفاعلية محددة (على سبيل المثال، و )، مما يمكّن من تحلل ملوثات أوسع . من خلال ربط AOPs التي تنتج جذورًا مكملة، يمكن أن تستهدف عمليات المعالجة ملوثات متنوعة بشكل أكثر فعالية مع تقليل المنتجات الثانوية وتقليل الحاجة إلى المعالجة اللاحقة .
يلعب تطوير المحفزات دورًا في تعزيز توليد الأنواع التفاعلية وكفاءة التحلل العامة. يمكن أن يؤدي تصميم محفزات ضوئية ذات وظائف مزدوجة تنشط مؤكسدات متعددة، مثل و بيرسلفات تحت إشعاع الضوء، إلى تحسين أنظمة مثل فوتو-فينتون-بيرسلفات . إن دمج المعادن النبيلة أو الانتقالية مع المحفزات شبه الموصلة يحسن امتصاص الضوء، وفصل حاملات الشحنة، وتنشيط المؤكسدات مثل والأوزون ، مما يعزز كفاءة عمليات فينتون والأوزون في أنظمة AOPs المتعددة. تؤثر ظروف التفاعل أيضًا على أداء النظام. يجب التحكم بعناية في معلمات مثل الرقم الهيدروجيني، وشدة الضوء، ودرجة الحرارة، وتركيزات المؤكسدات والملوثات . على سبيل المثال، قد تؤدي تركيزات المؤكسدات المفرطة إلى استهلاك الجذور، بينما تقلل المستويات غير الكافية من كفاءة الأكسدة . تفضل الظروف الحمضية تفاعلات فينتون، بينما تكون أنظمة البيرسلفات أكثر فعالية في ظل ظروف محايدة إلى قلوية قليلاً . إن تصميم أنظمة تعمل بكفاءة عبر نطاق الرقم الهيدروجيني يعزز قابليتها للتكيف مع تركيبات مياه الصرف المتنوعة.
يعد تصميم المفاعلات الفعال أمرًا حاسمًا لتعظيم التفاعلات بين الضوء، والمحفزات والملوثات . تعزز تكوينات المفاعلات التي تعزز اختراق الضوء، مثل المفاعلات الأسطوانية مع مصادر الضوء المركزية أو المفاعلات ذات الألواح المسطحة، الإضاءة المتساوية وتقلل من تأثيرات الظل . تكوينات التدفق المحسنة
الجدول 1 | مزايا وعيوب تقنيات عمليات الأكسدة المتقدمة المدعومة بالضوء
عمليات الأكسدة المتقدمة المدعومة بالضوء المزايا العيوب السيناريوهات البيئية
فوتو-فينتون
تكوين قوي غير انتقائي
فعال لمجموعة واسعة من الملوثات
تنفيذ بسيط
تكاليف تشغيل عالية ( € 0.44 إلى € )
مؤكسدات إضافية مطلوبة
صعوبات في نقل المواد الكيميائية مثل
نظام معالجة مياه الشرب؛ مياه الصرف الناتجة عن محطات معالجة مياه الصرف الصحي البلدية؛ مياه الصرف الخام الزيتية
فوتو-بيرسلفات
عمر أطول من مقارنة بـ OH
إمكانات أكسدة عالية
معدل تفاعل سريع ( )
نطاق pH واسع (2.0-8.0)
يزيد من محتوى الملح ووجود أيونات الكبريتات كمنتجات نهائية
مؤكسدات إضافية (بيرسلفات، بيروكسيمونوسلفات) مطلوبة
مخاوف صحية وسلامة
مياه الصرف الصحي الصيدلانية؛ مياه الصرف الناتجة عن محطات معالجة مياه الصرف الصحي البلدية
فوتو-أوزون
عائد مرتفع من الجذور ⋅ OH (أعلى من )
فعال لمجموعة واسعة من الملوثات
لا قيود على الرقم الهيدروجيني
لا حاجة للأكسدة
المخاطر المرتبطة بتوليد الأوزون
يتطلب طاقة كهربائية عالية لتوليد الأنواع التفاعلية
توليد نواتج سامة
نظام معالجة مياه الشرب؛ المياه العادمة من محطات معالجة مياه الصرف الصحي البلدية؛ مياه الصرف الصحي من الصناعات الدوائية
الأكسدة الضوئية الكهروكيميائية
تحكم عالي
لا حاجة للأكسدة
إنتاج أنواع تفاعلية متعددة
سهل إعادة التدوير
ارتفاع تكلفة مواد الأقطاب الكهربائية (مثل أقطاب الماس الموصل) ، البلاتين، الروثينيوم، الإيريديوم)
تلوث الأقطاب
يتطلب طاقة كهربائية عالية لتوليد الأنواع التفاعلية
توليد الملوثات الثانوية
مياه الصرف من مصافي النفط؛ المياه الناتجة عن محطات معالجة مياه الصرف الصحي البلدية
ضمان الاتصال المتسق بين الملوث والمح catalyst وخلط فعال بالنسبة للتطبيقات واسعة النطاق، يمكن أن تعمل المفاعلات ذات التدفق المستمر المزودة بمصابيح UV أو مجمعات شمسية على تحسين الإنتاجية مع تقليل التكاليف التشغيلية. يمكن أيضًا تحسين كفاءة التحلل باستخدام أنظمة التحكم والمراقبة المتقدمة، من خلال دمج أجهزة استشعار في الوقت الفعلي لقياس شدة الضوء وتركيز الملوثات. .
بالنسبة للتطبيقات واسعة النطاق، يجب أن تأخذ تقنيات المعالجة المتقدمة المعتمدة على الضوء في الاعتبار السيناريوهات البيئية العملية، حيث تقدم تقنيات المعالجة المتقدمة المعتمدة على الضوء مزايا وقيودًا مختلفة (الجدول 1). تتطلب الظروف المتنوعة لمياه الصرف الصحي اختيار النهج العلاجي الأكثر ملاءمة (الجدول التكميلي 1).

تنقية الهواء

تشمل تقنيات تنقية الهواء كل من تقنيات الاسترداد (مثل الامتصاص، التكثيف وفصل الأغشية) والأساليب التدميرية (مثل الحرق الحراري والأكسدة الحفزية الحرارية). تؤدي الطرق التدميرية إلى تدهور الملوثات العضوية تمامًا (خاصة المركبات العضوية المتطايرة مثل التولوين والبنزين) إلى جزيئات صغيرة مثل والماء ومع ذلك، تتطلب الطرق التدميرية عمومًا تطبيق طاقة خارجية و/أو محفزات لتفكيك الملوثات إلى منتجات نهائية. تستفيد عملية نموذجية مثل الأكسدة الحفزية الحرارية من إدخال مصادر الطاقة المتجددة، مثل الطاقة الشمسية، كمصدر طاقة مساعد. يمكن تحويل الطاقة الشمسية مباشرة إلى طاقة كهربائية أو حرارية أو كيميائية من خلال التحفيز الحراري المدعوم بالضوء (أو التحفيز الضوئي الحراري). ، مما يتيح استغلالًا أكثر شمولاً للطاقة عبر الطيف الشمسي، بما في ذلك نطاقات الطول الموجي الممتدة مثل الضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء. لذلك، يمكن أن تستفيد طرق التحفيز الحراري التي تتطلب طاقة عالية من تأثيرات التسخين الناتجة عن الضوء أو الإشعاع الشمسي المركز لتحقيق درجات حرارة مرتفعة، مما يقلل من استهلاك الطاقة في النظام. .
يمكن تصنيف العمليات الحفزية الضوئية الحرارية عمومًا إلى فئتين تحفيز حراري مساعد بالصور مدفوع بالتسخين الكهربائي الخارجي والضوء المساعد، ومدفوع بالصور
تحفيز حراري ضوئي للحصول على الطاقة من الطيف الشمسي (الشكل 5أ). يستخدم التحفيز الحراري المدعوم بالضوء العمليات الضوئية لتعزيز التفاعلات الحرارية من خلال إدخال ضوء إضافي في أنظمة التحفيز الحراري التقليدية. تزيد حوامل الشحنات الناتجة عن الضوء والأنواع المؤكسدة المشتقة منها من عملية الأكسدة الحرارية الأساسية. خلال الأكسدة الحرارية الحفزية المعززة بالضوء، يعزز الضوء تفعيل المتفاعلات، مما يحسن الكفاءة العامة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن تسريع فصل الشحنات في النظام الضوئي التحفيزي بوجود مصدر حرارة خارجي. يجب أن تأخذ عملية التحفيز الحراري المعتمدة على الصور في الاعتبار حجم غازات الملوثات (الشكل التوضيحي 1).
تحفيز حراري ضوئي (تحفيز حراري ضوئي) يتضمن الضوء كمصدر للحرارة دون الاعتماد على حرارة خارجية. باستخدام أكاسيد المعادن الانتقالية كأمثلة، يتبع آلية الأكسدة للمواد العضوية المتطايرة آلية مارس-فان كريفيلن. تحت إشعاع الضوء، يمتص طبقة المحفز الضوئي الحراري الفوتونات ويحول الطاقة الشمسية إلى طاقة حرارية من خلال الاسترخاء غير الإشعاعي، مما يؤدي إلى زيادة سريعة في درجة حرارة الطبقة. . ثم، يتفاعل الأكسجين الشبكي في المحفزات مع جزيئات المركبات العضوية المتطايرة المدفوعة بالحرارة الناتجة عن الضوء، ويتم تجديده بعد ذلك بواسطة أنواع الأكسجين الممتصة. . بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يتم تحفيز أشباه الموصلات من أكاسيد المعادن الانتقالية بواسطة الضوء لتوليد حوامل الشحنة، مما ينتج عنه أنواع مؤكسدة قوية (ثقوب مولدة للضوء، و ) التي تعزز أداء أكسدة المركبات العضوية المتطايرة درجة حرارة المحفزات العالية (عادةً فوق يساعد أيضًا في فصل وتحريك حوامل الشحنة علاوة على ذلك، يعزز الضوء تنشيط الأكسجين الشبكي في أكاسيد المعادن الانتقالية، مما يسرع من معدل التفاعل. . هذه الطريقة تستخدم الطيف الشمسي بالكامل ( دون الحاجة إلى مصادر حرارة كهربائية خارجية، مع دمج فوائد كل من المسارات الضوئية الكيميائية والحرارية الكيميائية .
لقد تقدمت التحفيز الحراري المدعوم بالصور لتنقية الهواء بفضل استغلالها لأشعة الشمس وكفاءتها التحفيزية العالية مقارنةً بعمليات التحفيز الحراري التقليدية. . مع الـ

تقنيات مساعدة بالصور لتنقية الهواء



بمساعدة إشعاع الضوء، يمكن أن تزيد كفاءة أداء نظام التفاعل التحفيزي الحراري – كفاءة تحويل المركبات العضوية المتطايرة – بمقدار لا يقل عن يُنسب هذا الارتفاع إلى تعزيز تنشيط المتفاعلات بواسطة الثقوب المثارة ضوئيًا والجذور المؤكسدة المتولدة. يمكن أن يساعد تعديل الهيكل المجهري للمحفزات في تعزيز
كفاءة جمع الضوء والنشاط التحفيزي تسعى معايير تصميم المحفزات الضوئية الحرارية عادةً إلى تحقيق امتصاص شامل عبر الطيف الشمسي، وكفاءة تحويل ضوئي حراري عالية (>99%)، وتفاعل جيد وثبات (أكثر من 100 ساعة) تجاه التفاعلات المستهدفة. .

مقالة مراجعة

تشمل المحفزات الضوئية الحرارية المستخدمة بشكل شائع المحفزات المدعومة من المعادن الثمينة (مثل و Pt أكاسيد المعادن الانتقالية (مثل و ) المعادن البلازمونية وزيولايت العديد منها يمتص الضوء، مما يجعلها مناسبة للأكسدة الضوئية الحرارية لمركبات العضوية المتطايرة (الشكل 5ب، ج والجدول التكميلي 2). تعتبر عوامل مثل التكلفة، ونشاط التفاعل، والاستقرار التشغيلي حاسمة لتطوير هذه المحفزات وتطبيقها. على سبيل المثال، تعتبر المحفزات المعدنية الثمينة فعالة وبالتالي جذابة في التطبيقات الصناعية، ولكن تكلفتها العالية تحد من استخدامها على نطاق واسع. تعزيز نشاط المحفزات المعدنية غير الثمينة مع تقليل الاعتماد على المعادن الثمينة أمر حاسم للجدوى الاقتصادية لتنقية الهواء بالتحفيز الضوئي الحراري. كما أن معالجة الاستقرار ومقاومة ترسب الكربون والتسمم بواسطة الكلور والكبريت أمر ضروري أيضًا للتطبيقات العملية. في البيئات الصناعية، تكون العواقب الاقتصادية لتسمم المحفز وعدم الاستقرار، التي يمكن أن تؤدي إلى توقف الإنتاج، غالبًا كبيرة. لذلك، فإن تحسين مرونة المحفزات تجاه مثل هذه القضايا هو مجال رئيسي للبحث والتطوير المستمر.
لا تزال التحفيز الحراري المدعوم بالصور لتPurification الهواء محصورًا إلى حد كبير في التجارب على نطاق المختبر ولم تحقق تطبيقات على نطاق واسع. . ومع ذلك، مقارنةً بالتحفيز الحراري التقليدي، تظهر عمليات التحفيز الضوئي الحراري على نطاق المختبر باستخدام ضوء الشمس الاصطناعي (مصباح زينون) بعض المزايا من حيث التكلفة. في بعض الحالات، يمكن تقليل تكاليف التفاعلات الضوئية الحرارية بواسطة مقارنةً بالتحفيز الحراري، على الرغم من أن استخدام مصادر الضوء المحاكية يتطلب مدخلات طاقة إضافية علاوة على ذلك، يمكن أن يقلل استخدام الطاقة الشمسية المتجددة من انبعاثات الكربون وفي الوقت نفسه ينتج وقودًا مثل الميثانول خلال عملية التفاعل. بالنسبة للتطبيقات واسعة النطاق، فإن تحسين آليات إمداد الطاقة وتكوينات المفاعلات أمر مهم لتحقيق درجات حرارة عالية لتفكيك المركبات العضوية المتطايرة. إحدى الطرق تستخدم فرن تسخين كهربائي مع نافذة ضوئية على جدارها الجانبي لدخول الضوء. نهج آخر يستخدم نموذجًا أسطوانيًا من الفولاذ المقاوم للصدأ يحاكي تصميم مفاعل التحفيز الضوئي، مع إدخال الضوء من الأعلى من خلال زجاج الكوارتز. نظرًا للطبيعة المتقطعة للإشعاع الشمسي، يجب دراسة آليات تخزين الإلكترونات داخل المواد لتمكين التفاعلات من الاستمرار في غياب الضوء.
تركز التطبيقات العملية للأكسدة الحفزية الضوئية للمواد العضوية المتطايرة أيضًا على استغلال ضوء الشمس الطبيعي في الهواء الطلق. تم استخدام مفاعل كامل من الكوارتز في الهواء الطلق لتدهور ملوثات الغاز تحت ضوء الشمس الطبيعي. تم تحقيق تحويل كامل لمركبات العضوية المتطايرة باستخدام عدسة مكثفة تحت ضوء الشمس في منتصف النهار، على الرغم من ملاحظة الحساسية لتغطية السحب. تطوير أنظمة التحفيز الضوئي الحراري تحت ضوء الشمس الطبيعي يقلل من الحاجة إلى مصادر حرارية (إمدادات الطاقة الكهربائية) وبالتالي يقلل من التكلفة الإجمالية. .
علاوة على ذلك، في التطبيقات العملية، قد تكون هناك مركبات عضوية متطايرة مختلفة موجودة في بيئات معقدة، مثل درجات الحرارة العالية. ) ورطوبة عالية ( ) الشروط يجسد الجمع بين التحفيز الضوئي الحراري مع تقنيات متعددة وسيلة فعالة لتحسين كفاءة إزالة المركبات العضوية المتطايرة. قد يؤدي دمج تقنية التحفيز الضوئي المساعدة مع تقنيات الامتزاز المعروفة أو الأكسدة التحفيزية أو تقنيات البلازما إلى تحسين كفاءات الإزالة العامة مع التخفيف من التلوث الثانوي. .
لتطبيقات العالم الحقيقي للتقنيات المعتمدة على الضوء لتنقية الهواء، يجب تقييم استدامتها مع الأخذ في الاعتبار الأبعاد البيئية والاقتصادية والاجتماعية. تعتمد الحفز الحراري التقليدي على أنظمة التسخين الكهربائي لرفع درجة حرارة النظام بأكمله. مما يؤدي إلى هدر الطاقة وانخفاض كفاءة استخدام الحرارة على النقيض، التحفيز الضوئي الحراري
تحقيق أكسدة المركبات العضوية المتطايرة تسخينًا محليًا دقيقًا لمواقع النشاط في المحفزات بكفاءة عالية في استخدام الحرارة عند درجات حرارة تفاعل منخفضة (من درجة حرارة الغرفة إلى . تظهر هذه الطريقة تحلل المعادن الملوثة بشكل مشابه أو متفوق، ومن المتوقع أن تقلل من نواتج ترسيب الكربون مقارنة بعملية الأكسدة الحفزية الحرارية التقليدية. .
مثل معظم أنظمة الهندسة الكيميائية، تتضمن الأكسدة الحفزية الحرارية المعززة بالضوء للمواد العضوية المتطايرة تكاليف أولية للجهاز (بناء وتركيب المفاعل، إعداد المحفز ونفقات بدء التشغيل)، وتكاليف تشغيلية (التشغيل والصيانة) وتكاليف دورة الحياة. يمكن نسب التكلفة الرئيسية إلى بناء نظام التفاعل الحفزي بالنسبة لتنقية الهواء بمساعدة الصور، فإن التحدي الرئيسي هو اختيار المحفزات ذات خصائص الامتصاص الطيفي المثلى والمكونات النشطة الحفازة التي تتمتع بنشاط ضوئي حراري جيد، وثبات عالٍ، وتكلفة منخفضة. عندما تكون أشعة الشمس هي المصدر الوحيد للطاقة، يتطلب الأمر تحسين استخدامها لتوليد التفاعلات. الاعتماد على الإشعاع الشمسي يقلل من استهلاك الكهرباء، ومع مرور الوقت يمكن أن تعوض المدخرات الناتجة عن استغلال الطاقة الضوئية الاستثمار الأولي في الجهاز. .
على الرغم من المزايا المتعددة للتقنيات الحرارية المعززة بالضوء، إلا أن تطويرها يواجه بعض التحديات. تتضمن التفاعلات الحفزية الحرارية المعززة بالضوء عمليات كيميائية ضوئية وحرارية، مما يعقد التمييز بين أدوار وكميات الإلكترونات الضوئية والإلكترونات الساخنة. توفر طرق قياس درجة الحرارة المعتمدة على الثيرموكوبل التقليدية رؤى فقط حول درجة الحرارة العامة لسرير التحفيز، مما يفشل في التقاط التغيرات المحلية الدقيقة في درجة حرارة الجسيمات النانوية. . بالإضافة إلى ذلك، تتضمن تفاعلات أكسدة المركبات العضوية المتطايرة عادةً عمليات طاردة للحرارة، ويمكن أن تؤدي الارتفاعات المحلية في درجة الحرارة إلى تغييرات هيكلية في المحفز، مما يقلل من كفاءة الإزالة، ويعزز التفاعلات الاختزالية غير المرغوب فيها، ويولد نواتج ثانوية. تعطيل المحفز بسبب ترسب الكربون – وهي مشكلة شائعة في تفاعلات أكسدة المركبات العضوية المتطايرة – يؤثر أيضًا على العمليات الحفزية الضوئية الحرارية. غالبًا ما تتجاهل تقييمات تفاعلات التحفيز للمواد العضوية المتطايرة إدخال الملوثات مثل الكبريت أو الكلور، التي تتواجد بشكل شائع في البيئات التشغيلية الفعلية وعادة ما تتضمن مواد متفاعلة ذات مكون واحد. نتيجة لذلك، لا يزال التأثير المحتمل للكبريت والكلور والملوثات المركبة (مثل خليط البنزين والتولوين والكلوروبنزين) على أداء المحفز الضوئي الحراري غير مؤكد. علاوة على ذلك، نظرًا للإضاءة أحادية الاتجاه بشكل أساسي لسرير المحفز، لا يزال البحث في تصميم مفاعلات التحفيز الضوئي الحراري وتحسين تكوين تكديس المحفزات لتعزيز امتصاص الطاقة الضوئية غير كافٍ. لا يزال تنقية الهواء بالتحفيز الضوئي الحراري في الغالب على نطاق المختبر. إن تعزيز فهمنا لهذه الجوانب أمر حيوي للتنفيذ الناجح لتقنيات التحفيز الضوئي الحراري في التطبيقات الواقعية.

ملخص وآفاق المستقبل

يمكن استخدام التقنيات المعتمدة على الصور للتخلص من الملوثات العضوية في الماء والهواء. من خلال استغلال قوة الطاقة الشمسية، يمكن تحسين كفاءة إزالة الملوثات مع تقليل استهلاك الطاقة. على الرغم من التقدم المحرز، لا تزال هناك تحديات أمام التطبيق الواسع النطاق لهذه التقنيات المعتمدة على الصور في معالجة البيئة، مثل الكفاءة المحدودة لاستخدام الضوء.
أثناء معالجة مياه الصرف، يمكن أن تمتص الشوائب في الماء أو تعكس الضوء، مما يقلل من التفاعل بين الضوء والمواد الحفازة أو المؤكسدات مثل و ، مما يقلل من كفاءة عمليات الأكسدة المتقدمة المعتمدة على الضوء. لمعالجة هذه التحديات، فإن تصميم
يمكن أن تعزز المفاعلات التي تقلل الحاجة لاختراق الضوء العميق، مثل المفاعلات المسطحة، فعالية التقنيات المعتمدة على الضوء. بالإضافة إلى ذلك، من المهم تصميم مواد تحفيزية متقدمة ذات كفاءة عالية في امتصاص الضوء لاستخدام الفوتونات منخفضة الطاقة، مثل الضوء المرئي أو الأشعة تحت الحمراء. يمكن تحقيق تحسين امتصاص الضوء من خلال عدة استراتيجيات: اختيار محفزات ذات فجوة نطاق ضيقة، إدخال شوائب أو عيوب لإنشاء حالات منتصف الفجوة التي تضيق فجوة النطاق للموصلات، طلاء المحفزات بمواد تظهر تأثيرات الرنين السطحي المحلي (مثل المواد البلازمونية أو المواد القائمة على الكربون)، استخدام مواد حساسة للصبغة أو نقاط الكم، دمج مواد تحويل الطاقة لتحويل الضوء تحت الأحمر إلى ضوء فوق بنفسجي أو مرئي، وإنشاء مواد نانوية (مثل القضبان النانوية، الأسلاك النانوية، هياكل البلورات الضوئية وتشكيل السطح). سيفيد تحسين امتصاص الضوء في توليد أنواع الأكسجين التفاعلية وزيادة كفاءة التحلل. بالنسبة لتنقية الهواء في المباني المكتبية والمصانع والمنازل، يمكن أن يوفر تطوير محفزات قادرة على استغلال الضوء الداخلي طريقًا نحو التنفيذ العملي للتقنية المعتمدة على الضوء لأنظمة تنقية الهواء. .
لقد تم تجاهل التحليل الاقتصادي للتقنيات المعتمدة على الضوء في كثير من الأحيان. وقد ركزت معظم الأبحاث الحالية على النفقات التشغيلية واستهلاك الطاقة، مثل مصادر الضوء، والتي تكون عادةً أقل للتقنيات المعتمدة على الضوء مقارنةً بالطرق التقليدية. . ومع ذلك، تستفيد الطرق التقليدية من البنية التحتية القائمة وتكون أسهل في التوسع بينما نادراً ما يتم النظر في التكاليف الرأسمالية الأولية لتنفيذ التقنيات المعتمدة على الضوء – بما في ذلك الاستثمارات في المفاعلات الضوئية، ومصادر الضوء، والعوامل الحفازة والبنية التحتية المرتبطة بها. تعتبر مصادر الضوء عالية الجودة، والعوامل الحفازة الفعالة والمستقرة، والمفاعلات الضوئية المصممة بشكل جيد ضرورية لتحقيق كفاءة عالية في معالجة البيئة. يمكن أن يؤدي دمج تقنيات معالجة المياه العادمة المدعومة بالصور مع أنظمة معالجة أخرى إلى تقليل تكاليف النظام. على سبيل المثال، فإن إجمالي استهلاك الطاقة المرتبط بعملية فنتون الكهروضوئية الشمسية لإزالة الملوثات العضوية في الهضم اللاهوائي هو 1.4 دولار أمريكي في الساعة عند كثافات حالية من وهو ما يعادل تقريبًا عُشر تكلفة الطاقة لعملية الحمأة المنشطة التقليدية (الولايات المتحدة في الساعة). وبالمثل، يمكن أن يؤدي دمج عملية فوتو-فينتون أو الأوزون مع نظام غشاء إلى تقليل تكاليف تشغيل عملية الأكسدة بسبب انخفاض حجم المعالجة الكلي. لذلك، فإن دمج هذه التقنيات مع الأنظمة الحالية يظهر إمكانية لتقليل التكاليف وتحسين الكفاءة، مما قد يجعلها خيارًا قابلاً للتطبيق في عمليات التنظيف البيئي على نطاق واسع.
العديد من هذه التقنيات تعتمد على المحفزات المصنوعة من مواد نادرة أو باهظة الثمن مثل المعادن النبيلة. يمكن أن يكون لاستخراج هذه المواد ومعالجتها والتخلص منها تأثير بيئي كبير. يجب أن تكون المحفزات اقتصادية ومستقرة على المدى الطويل، وقادرة على تحمل التعرض المطول للضوء والملوثات دون أن تتدهور. لتعزيز استدامة هذه العمليات، فإن تطوير أنظمة تفاعل جديدة أمر ضروري أيضًا. على سبيل المثال، العمليات الضوئية (الكهربائية) المزدوجة الوظائف التي تمكن من معالجة مياه الصرف بينما تستعيد الطاقة في الوقت نفسه، مثل إنتاج و يمكن أن تكون استراتيجية للجيل القادم من تقنيات معالجة المياه المعتمدة على الصور تقييم شامل لدورة الحياة – الذي يقيم العملية بأكملها، من استخراج المواد الخام إلى التخلص من النفايات في نهاية العمر – أمر حاسم للتحقق من استدامة هذه التقنيات. لا تزال مثل هذه التقييمات مفقودة في مجال التقنيات المعتمدة على الضوء.
نُشر على الإنترنت: 4 مارس 2025

References

  1. Shannon, M. A. et al. Science and technology for water purification in the coming decades. Nature 452, 301-310 (2008).
  2. Lin, J. et al. Environmental impacts and remediation of dye-containing wastewater. Nat. Rev. Earth Environ. 4, 785-803 (2023).
  3. Wei, S. et al. Self-carbon-thermal-reduction strategy for boosting the Fenton-like activity of single sites by carbon-defect engineering. Nat. Commun. 14, 7549 (2023).
  4. Hodges, B. C., Cates, E. L. & Kim, J.-H. Challenges and prospects of advanced oxidation water treatment processes using catalytic nanomaterials. Nat. Nanotechnol. 13, 642-650 (2018).
  5. He, F., Jeon, W. & Choi, W. Photocatalytic air purification mimicking the self-cleaning process of the atmosphere. Nat. Commun. 12, 2528 (2021).
  6. Weon, S., He, F. & Choi, W. Status and challenges in photocatalytic nanotechnology for cleaning air polluted with volatile organic compounds: visible light utilization and catalyst deactivation. Environ. Sci. Nano 6, 3185-3214 (2019).
  7. Khin, M. M., Nair, A. S., Babu, V. J., Murugan, R. & Ramakrishna, S. A review on nanomaterials for environmental remediation. Energy Environ. Sci. 5, 8075-8109 (2012).
  8. Zheng, L. et al. Mixed scaling patterns and mechanisms of high-pressure nanofiltration in hypersaline wastewater desalination. Water Res. 250, 121023 (2024).
  9. Yang, X., Sun, H., Li, G., An, T. & Choi, W. Fouling of TiO induced by natural organic matters during photocatalytic water treatment: mechanisms and regeneration strategy. Appl. Catal. B 294, 120252 (2021).
  10. Le, N. T. H. et al. Freezing-enhanced non-radical oxidation of organic pollutants by peroxymonosulfate. Chem. Eng. J. 388, 124226 (2020).
  11. Weng, B., Lu, K.-Q., Tang, Z., Chen, H. M. & Xu, Y.-J. Stabilizing ultrasmall Au clusters for enhanced photoredox catalysis. Nat. Commun. 9, 1543 (2018).
  12. Su, Y. et al. Unveiling the function of oxygen vacancy on facet-dependent for the catalytic destruction of monochloromethane: guidance for industrial catalyst design. Environ. Sci. Technol. 58, 8086-8095 (2024).
  13. Su, Y. et al. Surface-phosphorylated ceria for chlorine-tolerance catalysis. Environ. Sci. Technol. 58, 1369-1377 (2024).
  14. Yuan, X. et al. Anti-poisoning mechanisms of Sb on vanadia-based catalysts for NOx and chlorobenzene multi-pollutant control. Environ. Sci. Technol. 57, 10211-10220 (2023).
  15. Su, Z. et al. Probing the actual role and activity of oxygen vacancies in toluene catalytic oxidation: evidence from in situ XPS/NEXAFS and DFT + U calculation. ACS Catal. 13, 3444-3455 (2023).
  16. Wang, B., Song, Z. & Sun, L. A review: comparison of multi-air-pollutant removal by advanced oxidation processes – industrial implementation for catalytic oxidation processes. Chem. Eng. J. 409, 128136 (2021).
  17. Adeleye, A. S. et al. Engineered nanomaterials for water treatment and remediation: costs, benefits, and applicability. Chem. Eng. J. 286, 640-662 (2016).
  18. Brillas, E. Solar photoelectro-Fenton: a very effective and cost-efficient electrochemical advanced oxidation process for the removal of organic pollutants from synthetic and real wastewaters. Chemosphere 327, 138532 (2023).
  19. Wang, D., Junker, A. L., Sillanpää, M., Jiang, Y. & Wei, Z. Photo-based advanced oxidation processes for zero pollution: where are we now? Engineering 23, 19-23 (2023).
  20. Dey, A. K., Mishra, S. R. & Ahmaruzzaman, M. Solar light-based advanced oxidation processes for degradation of methylene blue dye using novel Zn-modified CeO2@ biochar. Environ. Sci. Pollut. Res. 30, 53887-53903 (2023).
  21. Su, L., Wang, P., Ma, X., Wang, J. & Zhan, S. Regulating local electron density of iron single sites by introducing nitrogen vacancies for efficient photo-Fenton process. Angew. Chem. Int. Ed. 60, 21261-21266 (2021).
  22. Yang, Q. et al. Recent advances in photo-activated sulfate radical-advanced oxidation process (SR-AOP) for refractory organic pollutants removal in water. Chem. Eng. J. 378, 122149 (2019).
  23. Yang, J., Zhu, M. & Dionysiou, D. D. What is the role of light in persulfate-based advanced oxidation for water treatment? Water Res. 189, 116627 (2021).
  24. Weng, B., Qi, M.-Y., Han, C., Tang, Z.-R. & Xu, Y.-J. Photocorrosion inhibition of semiconductor-based photocatalysts: basic principle, current development, and future perspective. ACS Catal. 9, 4642-4687(2019).
  25. Zhou, Q., Chen, Q., Tong, Y. & Wang, J. Light-induced ambient degradation of few-layer black phosphorus: mechanism and protection. Angew. Chem. Int. Ed. 55, 11437-11441 (2016).
  26. Bi, Z. et al. The generation and transformation mechanisms of reactive oxygen species in the environment and their implications for pollution control processes: a review. Environ. Res. 260, 119592 (2024).
  27. Chen, M. et al. Synthesis of carbon quantum dots decorating microspherical heterostructure and its efficient photocatalytic degradation of antibiotic norfloxacin. Chin. Chem. Lett. 35, 109336 (2024).
  28. Oh, V. B.-Y., Ng, S.-F. & Ong, W.-J. Is photocatalytic hydrogen production sustainable? Assessing the potential environmental enhancement of photocatalytic technology against steam methane reforming and electrocatalysis. J. Clean. Prod. 379, 134673 (2022).
  29. Wu, F., Zhou, Z. & Hicks, A. L. Life cycle impact of titanium dioxide nanoparticle synthesis through physical, chemical, and biological routes. Environ. Sci. Technol. 53, 4078-4087 (2019).
  30. Zhang, X. et al. Nanoconfinement-triggered oligomerization pathway for efficient removal of phenolic pollutants via a Fenton-like reaction. Nat. Commun. 15, 917 (2024).
  31. Ghanbarzadeh Lak, M., Sabour, M. R., Ghafari, E. & Amiri, A. Energy consumption and relative efficiency improvement of photo-Fenton – optimization by RSM for landfill leachate treatment, a case study. Waste Manage 79, 58-70 (2018).
  32. Barndõk, H., Blanco, L., Hermosilla, D. & Blanco, Á. Heterogeneous photo-Fenton processes using zero valent iron microspheres for the treatment of wastewaters contaminated with 1,4-dioxane. Chem. Eng. J. 284, 112-121 (2016).
  33. Santos, L. V. de S., Meireles, A. M. & Lange, L. C. Degradation of antibiotics norfloxacin by Fenton, UV and UV/ . J. Environ. Manage. 154, 8-12 (2015).
  34. Kang, W. et al. Photocatalytic ozonation of organic pollutants in wastewater using a flowing through reactor. J. Hazard. Mater. 405, 124277 (2021).
  35. Khaleel, G. F., Ismail, I. & Abbar, A. H. Application of solar photo-electro-Fenton technology to petroleum refinery wastewater degradation: optimization of operational parameters. Heliyon 9, e15062 (2023).
  36. Anipsitakis, G. P. & Dionysiou, D. D. Radical generation by the interaction of transition metals with common oxidants. Environ. Sci. Technol. 38, 3705-3712 (2004).
  37. De Laat, J. & Gallard, H. Catalytic decomposition of hydrogen peroxide by Fe(III) in homogeneous aqueous solution: mechanism and kinetic modeling. Environ. Sci. Technol. 33, 2726-2732 (1999).
  38. Feng, W. & Nansheng, D. Photochemistry of hydrolytic iron(III) species and photoinduced degradation of organic compounds. A minireview. Chemosphere 41, 1137-1147 (2000).
  39. Sun, M. et al. New insights into photo-Fenton chemistry: the overlooked role of excited iron” species. Environ. Sci. Technol. 58, 10817-10827 (2024).
  40. Yang, X.-j., Xu, X.-m., Xu, J. & Han, Y.-f. Iron oxychloride (FeOCl): an efficient Fenton-like catalyst for producing hydroxyl radicals in degradation of organic contaminants. J. Am. Chem. Soc. 135, 16058-16061 (2013).
  41. Li, M. et al. Iron-organic frameworks as effective Fenton-like catalysts for peroxymonosulfate decomposition in advanced oxidation processes. npj Clean Water 6, 37 (2023).
  42. Wang, Y. et al. Comparison of Fenton, UV-Fenton and nano- catalyzed UV-Fenton in degradation of phloroglucinol under neutral and alkaline conditions: role of complexation of with hydroxyl group in phloroglucinol. Chem. Eng. J. 313, 938-945 (2017).
  43. Zheng, J., Li, Y. & Zhang, S. Engineered nanoconfinement activates Fenton catalyst at neutral pH: mechanism and kinetics study. Appl. Catal. B 343, 123555 (2024).
  44. Clarizia, L., Russo, D., Di Somma, I., Marotta, R. & Andreozzi, R. Homogeneous photo-Fenton processes at near neutral pH: a review. Appl. Catal. B 209, 358-371 (2017).
  45. Zhu, Y. et al. Strategies for enhancing the heterogeneous Fenton catalytic reactivity: a review. Appl. Catal. B 255, 117739 (2019).
  46. Brillas, E. Fenton, photo-Fenton, electro-Fenton, and their combined treatments for the removal of insecticides from waters and soils. A review. Sep. Purif. Technol. 284, 120290 (2022).
  47. Heidari, Z., Pelalak, R. & Zhou, M. A critical review on the recent progress in application of electro-Fenton process for decontamination of wastewater at near-neutral pH . Chem. Eng. J. 474, 145741 (2023).
  48. Ahile, U. J., Wuana, R. A., Itodo, A. U., Sha’Ato, R. & Dantas, R. F. A review on the use of chelating agents as an alternative to promote photo-Fenton at neutral pH: current trends, knowledge gap and future studies. Sci. Total Environ. 710, 134872 (2020).
  49. Vallés, I. et al. On the relevant role of iron complexation for the performance of photo-Fenton process at mild pH: role of ring substitution in phenolic ligand and interaction with halides. Appl. Catal. B 331, 122708 (2023).
  50. Li, W.-Q. et al. Boosting photo-Fenton process enabled by ligand-to-cluster charge transfer excitations in iron-based metal organic framework. Appl. Catal. B 302, 120882 (2022).
  51. Rodríguez, M., Bussi, J. & Andrea De León, M. Application of pillared raw clay-base catalysts and natural solar radiation for water decontamination by the photo-Fenton process. Sep. Purif. Technol. 259, 118167 (2021).
  52. Wu, Q. et al. Visible-light-driven iron-based heterogeneous photo-Fenton catalysts for wastewater decontamination: a review of recent advances. Chemosphere 313, 137509 (2023).
  53. Deng, G. et al. Ferryl ion in the photo-Fenton process at acidic pH: occurrence, fate, and implications. Environ. Sci. Technol. 57, 18586-18596 (2023).
  54. Gao, X. et al. New insight into the mechanism of symmetry-breaking charge separation induced high-valent iron(IV) for highly efficient photodegradation of organic pollutants. Appl. Catal. B 321, 122066 (2023).
  55. Jiang, J. et al. Spin state-dependent in-situ photo-Fenton-like transformation from oxygen molecule towards singlet oxygen for selective water decontamination. Water Res. 244, 120502 (2023).
  56. Lian, Z. et al. Photo-self-Fenton reaction mediated by atomically dispersed photocatalysts toward efficient degradation of organic pollutants. Angew. Chem. Int. Ed. 63, e202318927 (2024).
  57. Ciggin, A. S., Sarica, E. S., Doğruel, S. & Orhon, D. Impact of ultrasonic pretreatment on Fenton-based oxidation of olive mill wastewater – towards a sustainable treatment scheme. J. Clean. Prod. 313, 127948 (2021).
  58. Ahmed, Y., Zhong, J., Yuan, Z. & Guo, J. Roles of reactive oxygen species in antibiotic resistant bacteria inactivation and micropollutant degradation in Fenton and photo-Fenton processes. J. Hazard. Mater. 430, 128408 (2022).
  59. Li, Y. & Cheng, H. Autocatalytic effect of in situ formed (hydro)quinone intermediates in Fenton and photo-Fenton degradation of non-phenolic aromatic pollutants and chemical kinetic modeling. Chem. Eng. J. 449, 137812 (2022).
  60. Zhou, Y., Yu, M., Zhang, Q., Sun, X. & Niu, J. Regulating electron distribution of Fe/Ni- single sites for efficient photo-Fenton process. J. Hazard. Mater. 440, 129724 (2022).
  61. Gualda-Alonso, E. et al. Continuous solar photo-Fenton for wastewater reclamation in operational environment at demonstration scale. J. Hazard. Mater. 459, 132101 (2023).
  62. Silva, T. F. C. V., Fonseca, A., Saraiva, I., Boaventura, R. A. R. & Vilar, V. J. P. Scale-up and cost analysis of a photo-Fenton system for sanitary landfill leachate treatment. Chem. Eng. J. 283, 76-88 (2016).
  63. Miklos, D. B. et al. Evaluation of advanced oxidation processes for water and wastewater treatment – a critical review. Water Res. 139, 118-131 (2018).
  64. Gualda-Alonso, E. et al. Large-scale raceway pond reactor for CEC removal from municipal WWTP effluents by solar photo-Fenton. Appl. Catal. B 319, 121908 (2022).
  65. Gualda-Alonso, E., Soriano-Molina, P., García Sánchez, J. L., Casas López, J. L. & Sánchez Pérez, J. A. Mechanistic modeling of solar photo-Fenton with -NTA for microcontaminant removal. Appl. Catal. B 318, 121795 (2022).
  66. Duan, X., Sun, H. & Wang, S. Metal-free carbocatalysis in advanced oxidation reactions. Acc. Chem. Res. 51, 678-687 (2018).
  67. Han, B. et al. Microenvironment engineering of single-atom catalysts for persulfate-based advanced oxidation processes. Chem. Eng. J. 447, 137551 (2022).
  68. Lee, J., von Gunten, U. & Kim, J.-H. Persulfate-based advanced oxidation: critical assessment of opportunities and roadblocks. Environ. Sci. Technol. 54, 3064-3081 (2020).
  69. Zhang, S., Zheng, H. & Tratnyek, P. G. Advanced redox processes for sustainable water treatment. Nat. Water 1, 666-681(2023).
  70. Guo, R. et al. Catalytic degradation of lomefloxacin by photo-assisted persulfate activation on natural hematite: performance and mechanism. Chin. Chem. Lett. 33, 3809-3817 (2022).
  71. He, S., Chen, Y., Li, X., Zeng, L. & Zhu, M. Heterogeneous photocatalytic activation of persulfate for the removal of organic contaminants in water: a critical review. ACS EST. Eng 2, 527-546 (2022).
  72. Zhang, Y.-J. et al. Simultaneous nanocatalytic surface activation of pollutants and oxidants for highly efficient water decontamination. Nat. Commun. 13, 3005 (2022).
  73. Yin, R. et al. Near-infrared light to heat conversion in peroxydisulfate activation with : a new photo-activation process for water treatment. Water Res. 190, 116720 (2021).
  74. Weng, Z. et al. Site engineering of covalent organic frameworks for regulating peroxymonosulfate activation to generate singlet oxygen with selectivity. Angew. Chem. Int. Ed. 62, e202310934 (2023).
  75. Yan, Y. et al. Merits and limitations of radical vs. nonradical pathways in persulfate-based advanced oxidation processes. Environ. Sci. Technol. 57, 12153-12179 (2023).
  76. Gan, P. et al. The degradation of municipal solid waste incineration leachate by UV/persulfate and UV/ processes: the different selectivity of and . Chemosphere 311, 137009 (2023).
  77. Guerra-Rodríguez, S. et al. Pilot-scale sulfate radical-based advanced oxidation for wastewater reuse: simultaneous disinfection, removal of contaminants of emerging concern, and antibiotic resistance genes. Chem. Eng. J. 477, 146916 (2023).
  78. Wang, Y., Duan, X., Xie, Y., Sun, H. & Wang, S. Nanocarbon-based catalytic ozonation for aqueous oxidation: engineering defects for active sites and tunable reaction pathways. ACS Catal. 10, 13383-13414 (2020).
  79. Mundy, B. et al. A review of ozone systems costs for municipal applications. Report by the municipal committee – IOA Pan American group. Ozone Sci. Eng. 40, 266-274 (2018).
  80. Zhou, H. & Smith, D. W. Ozone mass transfer in water and wastewater treatment: experimental observations using a 2D laser particle dynamics analyzer. Water Res. 34, 909-921 (2000).
  81. Lu, J. et al. Efficient mineralization of aqueous antibiotics by simultaneous catalytic ozonation and photocatalysis using as a bifunctional catalyst. Chem. Eng. J. 358, 48-57 (2019).
  82. Bessegato, G. G., Cardoso, J. C., da Silva, B. F. & Zanoni, M. V. B. Combination of photoelectrocatalysis and ozonation: a novel and powerful approach applied in Acid Yellow 1 mineralization. Appl. Catal. B 180, 161-168 (2016).
  83. Mehrjouei, M., Müller, S. & Möller, D. A review on photocatalytic ozonation used for the treatment of water and wastewater. Chem. Eng. J. 263, 209-219 (2015).
  84. Beltrán, F. J., Aguinaco, A., García-Araya, J. F. & Oropesa, A. Ozone and photocatalytic processes to remove the antibiotic sulfamethoxazole from water. Water Res. 42, 3799-3808 (2008).
  85. Yu, D., Li, L., Wu, M. & Crittenden, J. C. Enhanced photocatalytic ozonation of organic pollutants using an iron-based metal-organic framework. Appl. Catal. B 251, 66-75 (2019).
  86. Xiao, J., Xie, Y., Rabeah, J., Brückner, A. & Cao, H. Visible-light photocatalytic ozonation using graphitic catalysts: a hydroxyl radical manufacturer for wastewater treatment. Acc. Chem. Res. 53, 1024-1033 (2020).
  87. Xiao, J. et al. Is chemically stable toward reactive oxygen species in sunlight-driven water treatment? Environ. Sci. Technol. 51, 13380-13387(2017).
  88. Lincho, J., Zaleska-Medynska, A., Martins, R. C. & Gomes, J. Nanostructured photocatalysts for the abatement of contaminants by photocatalysis and photocatalytic ozonation: an overview. Sci. Total Environ. 837, 155776 (2022).
  89. Ye, M., Chen, Z., Liu, X., Ben, Y. & Shen, J. Ozone enhanced activity of aqueous titanium dioxide suspensions for photodegradation of 4-chloronitrobenzene. J. Hazard. Mater. 167, 1021-1027 (2009).
  90. Andreozzi, R., Caprio, V., Insola, A. & Marotta, R. Advanced oxidation processes (AOP) for water purification and recovery. Catal. Today 53, 51-59 (1999).
  91. Mecha, A. C., Onyango, M. S., Ochieng, A. & Momba, M. N. B. Ultraviolet and solar photocatalytic ozonation of municipal wastewater: catalyst reuse, energy requirements and toxicity assessment. Chemosphere 186, 669-676 (2017).

مقالة مراجعة

  1. مهرجوي، م.، مولر، س. ومولر، د. استهلاك الطاقة لثلاث طرق مختلفة من الأكسدة المتقدمة لمعالجة المياه: دراسة جدوى التكلفة. ج. نظافة. إنتاج. 65، 178-183 (2014).
  2. ميكا، أ. س.، أونيانغو، م. س.، أوشيينغ، أ.، فوري، ج. ج. س. ومومبا، م. ن. ب. التأثير التآزري للأوزون الضوئي باستخدام الأشعة فوق البنفسجية والمرئية والطاقة الشمسية على تحلل الفينول في مياه الصرف الصحي البلدية: دراسة مقارنة. مجلة الحفز 341، 116-125 (2016).
  3. مورييرا، ف. س.، بوافينتورا، ر. أ. ر.، بريلاس، إ. وفيلار، ف. ج. ب. عمليات الأكسدة المتقدمة الكهروكيميائية: مراجعة حول تطبيقها على المياه العادمة الاصطناعية والحقيقية. تطبيقات الحفز ب 202، 217-261 (2017).
  4. باندي، أ. ك. وآخرون. استخدام الطاقة الشمسية في معالجة مياه الصرف: التحديات والاتجاهات البحثية المتقدمة. مجلة إدارة البيئة 297، 113300 (2021).
  5. Pham، C. V.، Escalera-López، D.، Mayrhofer، K.، Cherevko، S. & Thiele، S. أساسيات المحللات المائية عالية الأداء – من مواد طبقة المحفز إلى هندسة الأقطاب. Adv. Energy Mater. 11، 2101998 (2021).
  6. فاليرو، د.، غارسيا-غارسيا، ف.، إكسبوسيتو، إ.، ألداز، أ. ومونتييل، ف. المعالجة الكهروكيميائية لمياه الصرف من صناعة اللوز باستخدام أنودات من نوع DSA: الاتصال المباشر بمولد الطاقة الشمسية. تكنولوجيا الفصل والتنقية 123، 15-22 (2014).
  7. هوانغ، ي. وآخرون. التخفيف الفعال للملوثات ذات الاهتمام المتزايد بواسطة LED-UV الكلور الكهروكيميائي لإعادة استخدام مياه الصرف الصحي: الحركيات، مسارات التحلل، والسمية الخلوية. مجلة الهندسة الكيميائية 480، 148032 (2024).
  8. أوتير، ب. وآخرون. التقييم الاقتصادي لأنظمة إمداد المياه التي تعمل بالتعقيم الكهربائي المدفوع بالطاقة الشمسية في المناطق الريفية في نيبال ومصر وتنزانيا. مجلة المياه. 187، 116384 (2020).
  9. كوكي، ب. أ. وآخرون. الجذير الكبريتي في العمليات المتقدمة للأكسدة (الضوئية) الكهروكيميائية لمعالجة المياه: نهج متعدد الاستخدامات. ج. فيز. كيم. ليتر. 14، 8880-8889 (2023).
  10. سون، أ. وآخرون. تعزيز الأكسدة الضوئية الكهروكيميائية للملوثات العضوية باستخدام مواد ذاتية التخصيب. مصفوفات الأنابيب النانوية: تأثير معلمات التشغيل ومصفوفة الماء. مياه. 191، 116803 (2021).
  11. غارسيا-إسبينوزا، ج. د.، روبلز، إ.، دوران-مورينو، أ. و غودينز، ل. أ. العمليات المتقدمة للأكسدة الكهروكيميائية المدعومة بالضوء لتعقيم المحاليل المائية: مراجعة. كيموسفير 274، 129957 (2021).
  12. فاناجس، م. وآخرون. تخليق الاحتراق الذاتي بتقنية الجل-سول لـ مساحيق نانوية من البراونميليريت والأفلام الرقيقة لمعالجة المياه الكهروكيميائية المتقدمة بواسطة الأكسدة تحت الضوء المرئي. J. Environ. Chem. Eng. 7, 103224 (2019).
  13. ياو، ت.، آن، إكس.، هان، إتش.، تشين، ج. كيو. ولي، سي. مواد التحفيز الكهروضوئي لتفكيك الماء بالطاقة الشمسية. مواد الطاقة المتقدمة 8، 1800210 (2018).
  14. لو، س. وزانغ، ج. التقدمات الحديثة في تعطيل الكائنات الدقيقة الممرضة المنقولة بالماء بواسطة عمليات الأكسدة (الضوئية) الكهروكيميائية: استراتيجيات التصميم والتطبيق. مجلة المواد الخطرة 431، 128619 (2022).
  15. فكادو، س. وآخرون. معالجة مياه الصرف الصحي باستخدام عملية التجلط الكهروضوئي: نماذج تنبؤية لإزالة COD واللون واستهلاك الطاقة الكهربائية. ج. هندسة عمليات المياه 41، 102068 (2021).
  16. رينجيفو-هيريرا، ج. أ. وبولجارين، س. لماذا خمسة عقود من البحث الضخم في التحفيز الضوئي غير المتجانس، خاصة على لم يقم بعد بتوجيه تطبيقات تعقيم المياه وإزالة السموم؟ مراجعة نقدية للعيوب والتحديات. Chem. Eng. J. 477، 146875 (2023).
  17. زينغ، ج. وآخرون. المواد النانوية الممكنة للتحفيز الكهروضوئي لإزالة الملوثات في البيئة والغذاء. اتجاهات الكيمياء التحليلية 166، 117187 (2023).
  18. سونغ، ي.، تشانغ، ج.-ي.، يانغ، ج.، بو، ت. وما، ج.-ف. أكسدة فعالة للغاية للزرنيخ (III) باستخدام محفز ضوئي كهربائي قائم على معقد معدني عضوي معدل بواسطة بوليوكسوميتالات-ثياكالكس[4]أرين. الكيمياء الخضراء. 26، 3874-3883 (2024).
  19. جياو، ي.، ما، ل.، تيان، ي. وزو، م. عملية كهربائية فنتون متدفقة باستخدام كاثود من ألياف الكربون النشطة المعدلة لإزالة البرتقالي II. كيموسفير 252، 126483 (2020).
  20. تشو، و. وآخرون. معدلات توليد الكهرباء عن طريق اختزال الأنود في أقطاب الرغوة RVC في خلايا الدفعة والتدفق. Electrochim. Acta 277، 185-196 (2018).
  21. دانغ، ك. وآخرون. نظام كيميائي ضوئي مدعوم بالأيونات بدون تحيز لمعالجة مياه الصرف المستدامة. نات. كوميونيك. 14، 8413 (2023).
  22. ديبيا بريا، ج. وآخرون. معالجة المياه العادمة الحقيقية بواسطة الطرق الكهروضوئية: نظرة عامة. كيموسفير 276، 130188 (2021).
  23. تيديسكو، ج. س. ومورايش، ب. ب. تصميم مبتكر لمفاعل ضوئي كيميائي بتدفق مستمر: التصميم الهيدروليكي، محاكاة الديناميكا الهوائية، والنمذجة الأولية. مجلة هندسة الكيمياء البيئية 9، 105917 (2021).
  24. تاو، ي. وآخرون. الأكسدة الكهروضوئية المدفوعة بالأشعة تحت الحمراء القريبة لليوريا على البيروفيسكايت القائم على اللانثانوم والنيكل. مجلة الهندسة الكيميائية 446، 137240 (2022).
  25. فيفار، م.، سكريابين، إ.، إيفريت، ف. و بلاكرز، أ. مفهوم لنظام هجين لتنقية المياه بالطاقة الشمسية ونظام الخلايا الشمسية. مواد الطاقة الشمسية وخلايا الشمس 94، 1772-1782 (2010).
  26. سبوعي، م. وآخرون. تصنيع مواد موصلة كهربائياً أغشية مركبة للتفاعل الضوئي الكهربائي المتزامن والترشيح الدقيق لصبغة الأزوال من مياه الصرف. تطبيقات الحفز A 644، 118837 (2022).
  27. غارغ، ر. وآخرون. ترسيب الأفلام الرقيقة: المواد، التطبيقات، التحديات والاتجاهات المستقبلية. علوم واجهة الكولود 330، 103203 (2024).
  28. نوكيد، م. وآخرون. الطبقات الرقيقة الكهروكيميائية في الهياكل النانوية لتخزين الطاقة. أكاديمي. كيم. ريس. 49، 2336-2346 (2016).
  29. جون، ت. هـ.، كو، م. س.، كيم، هـ. وتشوي، و. أنظمة التحفيز الضوئي والتحفيز الكهروضوئي ذات الوظائف المزدوجة لمعالجة المياه لاستعادة الطاقة والموارد. ACS Catal. 8، 11542-11563 (2018).
  30. غارزا-كامبوس، ب. وآخرون. تحلل حمض الساليسيليك بواسطة عمليات الأكسدة المتقدمة. ربط عملية فوتو-فينتون الشمسية والضوء الشمسي المتغاير. مواد خطرة. 319، 34-42 (2016).
  31. وانغ، ي. وآخرون. تحفيز فتون ضوئي فعال لحمض البيرفلوروأوكتانويك باستخدام أوراق نانوية ثنائية الأبعاد من CoFe المستندة إلى MOFs: قدرة الامتصاص والتعدين المتوسطة بواسطة فراغات الأكسجين. مجلة الهندسة الكيميائية 483، 149385 (2024).
  32. مارينيو، ب. أ. وآخرون. التحلل الضوئي، التحلل الكهربائي والتحلل الضوئي الكهربائي للأدوية في الوسائط المائية: الطرق التحليلية، الآليات، المحاكاة، المحفزات والمفاعلات. ج. إنتاج نظيف. 343، 131061 (2022).
  33. تشنغ، ج.، تشانغ، ب.، لي، إكس.، جي، ل. ونيو، ج. نظرة على عمليات الأكسدة المتقدمة المدعومة بالضوء لتفكيك الملوثات الدقيقة المضادة للبكتيريا: الآليات والفجوات البحثية. كيموسفير 343، 140211 (2023).
  34. براهم، ر. ج. وهاريس، أ. ت. مراجعة للاعتبارات الرئيسية في التصميم وتكبير الحجم لمفاعلات التحفيز الضوئي الشمسي. الهندسة الكيميائية الصناعية والبحوث 48، 8890-8905 (2009).
  35. سالازار، ل. م.، غريزاليس، س. م. وغارسيا، د. ب. كيف يؤثر التكثيف على الأداء التشغيلي والبيئي لعمليات فوتو-فينتون عند درجة حموضة حمضية وقريبة من المحايدة. علوم البيئة. بحث تلوث. 26، 4367-4380 (2019).
  36. مينغ، ت.، سون، و.، سو، إكس. وسون، ب. الجرعة المثلى من المؤكسدات في عمليات الأكسدة المتقدمة المعتمدة على الأشعة فوق البنفسجية بالنسبة لتركيزات الجذور الأولية. مياه ريس. 206، 117738 (2021).
  37. شو، س.-ل. وآخرون. توسيع نطاق الرقم الهيدروجيني لتفاعلات شبيهة بفنتون لتحلل الملوثات: تأثير البيئات الدقيقة الحمضية. مياه البحث. 270، 122851 (2025).
  38. وانغ، ي. وآخرون. تحسين إزالة البرتقالي II باستخدام -LDH نشط بيروكسيمونوكبريت: أكسدة جذرية تآزرية وامتصاص. المحفزات 14، 380 (2024).
  39. بينجهيدي، ر.، موندال، ر. وموندال، س. مفاعل ضوئي مستمر: مراجعة نقدية حول التصميم والأداء. مجلة هندسة الكيمياء البيئية 10، 107746 (2022).
  40. غرجيć، إ. ولي بومة، ج. نماذج الامتصاص-التشتت ذات الستة تدفقات للتصوير الضوئي تحت مصادر الإشعاع واسعة الطيف في المفاعلات الحلزونية والمسطحة باستخدام محفزات ذات خصائص بصرية مختلفة. تطبيقات الحفز ب 211، 222-234 (2017).
  41. وو، ز. وآخرون. استشعار الألياف الضوئية بالأشعة تحت الحمراء في الموقع لمراقبة التغيرات في المتفاعلات والمنتجات خلال التفاعل الضوئي التحفيزي. التحليل الكيميائي 97، 1229-1235 (2025).
  42. لي، س.، لين، ي.، ليو، ج. وشي، ج. حالة البحث في تكنولوجيا إزالة المركبات العضوية المتطايرة (VOC) وآفاق الاستراتيجيات الجديدة: مراجعة. علوم البيئة. العمليات. التأثيرات 25، 727-740 (2023).
  43. هو، سي. وآخرون. التقدمات الحديثة في الأكسدة الحفزية للمركبات العضوية المتطايرة: مراجعة تستند إلى أنواع الملوثات ومصادرها. مراجعة الكيمياء 119، 4471-4568 (2019).
  44. Zhang، ك. وآخرون. تقدم البحث في محفز أكسيد المعادن المركب لتدهور المركبات العضوية المتطايرة. علوم البيئة والتكنولوجيا 56، 9220-9236 (2022).
  45. يانغ، ي. وآخرون. التقدم الحديث والتحديات المستقبلية في التحفيز الضوئي الحراري لإزالة المركبات العضوية المتطايرة: من تصميم المحفزات إلى التطبيقات. الطاقة الخضراء والبيئة. 8، 654-672 (2023).
  46. جيانغ، سي. وآخرون. تعديل حالات العيوب في عن طريق إضافة الحديد: استراتيجية للأكسدة الحفزية للتولوين عند درجات حرارة منخفضة باستخدام ضوء الشمس. J. Hazard. Mater. 390، 122182 (2020).
  47. سون، ب. وآخرون. تحويل ضوئي حراري بكفاءة في محفز ضوئي حراري أحادي قائم على MnOx لإزالة الفورمالديهايد الغازي. رسائل الكيمياء الصينية 33، 2564-2568 (2022).
  48. شان، سي. وآخرون. التقدمات الحديثة في أكسدة المركبات العضوية المتطايرة المحفزة على أكاسيد السبينل: تصميم المحفز وآلية التفاعل. علوم البيئة والتكنولوجيا 57، 9495-9514 (2023).
  49. لي، ج.-ج. وآخرون. التحلل الفعال للمركبات العضوية المتطايرة المعزز بواسطة الضوء تحت الحمراء على المواد المستجيبة للضوء والحرارة المركبات. تطبيقات الحفز. ب 233، 260-271 (2018).
  50. هونغ، ج. وآخرون. الكيمياء الضوئية الحرارية المستندة إلى الطاقة الشمسية: من التأثيرات التآزرية إلى التطبيقات العملية. أدف. ساي. 9، 2103926 (2022).
  51. رين، ي. وآخرون. الطاقة الشمسية المركزة تقليل في بخار مع كفاءة تحويل الطاقة. نات. كوم. 15، 4675 (2024).
  52. لي، ج.، ليو، إكس.، وينغ، ب.، روفارس، م. ب. ج. وجيا، هـ. هندسة انتشار الضوء من أجل التحفيز الضوئي والحراري المتناغم نحو القضاء على المركبات العضوية المتطايرة. مجلة الهندسة الكيميائية 461، 142022 (2023).
  53. كينيدي، ج. س. ودايت، أ. ك. الأكسدة غير المتجانسة للاثانول بواسطة الفوتوحرارية . J. Catal. 179, 375-389 (1998).
  54. تشانغ، م. وآخرون. البناء في الموقع لمحفزات الفوتوحرارية أكسيد المنغنيز لإزالة التولوين بعمق من خلال الاستفادة العالية من طاقة الشمس. علوم البيئة والتكنولوجيا 57، 4286-4297 (2023).
  55. ما، ج.، وانغ، ج. و دانغ، ي. الأكسدة المساعدة بالضوء للبنزين الغازي على التنجستن المخلوط عند درجة حرارة منخفضة. مجلة الهندسة الكيميائية. 388، 124387 (2020).
  56. يو، إكس، تشاو، سي، يانغ، إل، تشانغ، جي. & تشين، سي. الأكسدة التحفيزية الضوئية الحرارية للتولوين على محفز نانو مركب. EES كاتال. 2، 811-822 (2024).
  57. وو، ب.، جين، إكس.، تشيو، واي. ويي، د. التقدم الأخير في الأكسدة الحرارية الحفزية والأكسدة الضوئية/الحرارية الحفزية لتنقية المركبات العضوية المتطايرة باستخدام محفزات أكسيد المنغنيز. علوم البيئة والتكنولوجيا 55، 4268-4286 (2021).
  58. ماتيو، د.، سيريلو، ج. ل.، دوريني، س. وغاسكون، ج. أساسيات وتطبيقات التحفيز الضوئي الحراري. مراجعات الجمعية الكيميائية 50، 2173-2210 (2021).
  59. أجبوفهيمين إليميان، إ.، زانغ، م.، صن، ي.، هي، ج. وجيا، هـ. استغلال الطاقة الشمسية نحو الأكسدة التحفيزية الضوئية الحرارية التآزرية للمركبات العضوية المتطايرة. سول. آر. آر. إل 7، 2300238 (2023).
  60. شان، سي. وآخرون. النمو في الموقع الناتج عن الحفر الحمضي لـ على سبينيل CoMn لأكسدة المركبات العضوية المتطايرة عند درجات حرارة منخفضة. علوم البيئة. التكنولوجيا 56، 10381-10390 (2022).
  61. ما، ي. وآخرون. فهم الأدوار المختلفة للأكسجين الممتز على السطح وأنواع الأكسجين في الشبكة في الأداء التحفيزي المتميز لأكاسيد المعادن في أكسدة الأوكسيلين. ACS Catal. 14، 16624-16638 (2024).
  62. وانغ، هـ. وآخرون. تعزيز الأكسدة الضوحرارية التحفيزية للتولوين على : تأثير التروس للضوء والحرارة. علوم البيئة والتكنولوجيا. 58، 7662-7671 (2024).
  63. وانغ، إكس. وآخرون. التآزر الكهرو-مساعد للحرارة الضوئية لإزالة المركبات العضوية المتطايرة على ذرات الذهب المفردة المثبتة أنابيب نانوية. تطبيقات التحفيز B 358، 124338 (2024).
  64. رين، ل.، يانغ، إكس.، صن، إكس. ويوان، واي. مزامنة تنقية فعالة للمواد العضوية المتطايرة في تبخر المياه الشمسية المتينة على سطح عالي الاستقرار مادة الجرافين. نانو ليت. 24، 715-723 (2024).
  65. كوي، إكس. وآخرون. المواد النانوية الضوئية الحرارية: محول قوي من الضوء إلى الحرارة. مراجعة الكيمياء 123، 6891-6952 (2023).
  66. لي، ي. وآخرون. أكسدة تحفيزية ضوئية حرارية فعالة مدعومة بركيزات نانوية ثلاثية الأبعاد. علوم البيئة والتكنولوجيا 58، 5153-5161 (2024).
  67. ليونغ، س.-ف. وآخرون. التقاط الفوتونات بكفاءة باستخدام مصفوفات آبار نانوية ثلاثية الأبعاد مرتبة. نانو ليت. 12، 3682-3689 (2012).
  68. وانغ، ف. وآخرون. أكاسيد المنغنيز بأشكال تشبه القضبان والأسلاك والأنابيب والزهور: محفزات فعالة للغاية لإزالة التولوين. علوم البيئة والتكنولوجيا 46، 4034-4041 (2012).
  69. جيانغ، د.، وانغ، و.، صن، س.، تشانغ، ل. وزينغ، ي. تحقيق التوازن بين الأدوار البلازمونية والتحفيزية للهياكل النانوية المعدنية في الأكسدة الضوئية المعدلة بالذهب . ACS كاتال. 5، 613-621 (2015).
  70. Žerjav، ج. وآخرون. النشاط الضوئي والحراري والضوئي الحراري لـ دعم المحفزات البلاتينية للتطبيقات البيئية المدفوعة بالبلاسمون. ج. هندسة الكيمياء البيئية 11، 110209 (2023).
  71. تشينغ، ج. وآخرون. هندسة الواجهة لـ تقنيات S-scheme للوصلات غير المتجانسة لتعزيز التحلل الضوئي الحراري للتولوين. مجلة المواد الخطرة. 452، 131249 (2023).
  72. وانغ، ز.-ي. وآخرون. هيدروجيل MXene/CdS الضوئي الحراري-التحفيزي لتبخر المياه الشمسي الفعال والتحلل التآزري للمواد العضوية المتطايرة. مجلة مواد الكيمياء A 12، 10991-11003 (2024).
  73. إيليميان، إ. أ. وآخرون. بناء محفز متعدد الوظائف غني بفجوات الأكسجين لتحسين التحلل الضوئي الحراري المدفوع بالضوء للتولوين. تطبيقات التحفيز B 307، 121203 (2022).
  74. بي، ف. وآخرون. ذرة البالاديوم المفردة المنسقة بالكلور عززت مقاومة الكلور لتحلل المركبات العضوية المتطايرة: دراسة الآلية. علوم البيئة والتكنولوجيا 56، 17321-17330 (2022).
  75. وانغ، ز. وآخرون. محاكاة تنقية التولوين المدفوعة بالضوء الشمسي باستخدام محفز Pt ذرة واحدة مدعوم بأكسيد الحديد. تطبيقات التحفيز B 298، 120612 (2021).
  76. كونغ، ج.، شيانغ، ز.، لي، ج. وآن، ت. يقدمون فراغات الأكسجين في محفز لزيادة مقاومة الكوك أثناء الأكسدة الضوئية الحرارية الحفزية للمواد العضوية المتطايرة النموذجية. تطبيقات الحفز B 269، 118755 (2020).
  77. وي، ل.، يو، ج.، يانغ، ك.، فان، ك. وجي، هـ. التقدمات الحديثة في إزالة المركبات العضوية المتطايرة وثاني أكسيد الكربون عبر التحفيز التآزري الضوئي الحراري. المجلة الصينية للتحفيز 42، 1078-1095 (2021).
  78. دينغ، إكس.، ليو، و.، تشاو، ج.، وانغ، ل. وزو، ز. التحفيز الضوئي الحراري لثاني أكسيد الكربون نحو تخليق وقود شمسي: من هندسة المواد والمفاعلات إلى التحليل التكنولوجي والاقتصادي. مواد متقدمة. 37، e2312093 (2025).
  79. يو، إكس. وآخرون. تقدمات في التحفيز الضوئي الحراري لملوثات الهواء. مجلة الهندسة الكيميائية 486، 150192 (2024).
  80. تاكيت، ب. م.، غوميز، إ. و تشين، ج. ج. التخفيض الصافي لـ عبر تفاعلات التحول الحراري التحفيزي والتحول الكهربائي التحفيزي في العمليات القياسية والهجينة. نات. كاتال. 2، 381-386 (2019).
  81. وانغ، س. وآخرون. إعادة تدوير النيكل من مياه الصرف الناتجة عن الطلاء الكهربائي من القبر إلى المهد إلى ضوء حراري تحفيز. نات. كوميون. 13، 5305 (2022).
  82. زينغ، م. وآخرون. التأثير التآزري بين التحفيز الضوئي على والتحفيز الحراري على لأكسدة البنزين في الطور الغازي على نانومركبات. ACS Catal. 5، 3278-3286 (2015).
  83. سونغ، سي. وآخرون. تقطير شمسي معتمد على غشاء نانوي ذو مسام مزدوجة الحجم لالتقاط المركبات العضوية المتطايرة بواسطة التأثير الضوئي الحراري/التحفيزي الضوئي. علوم البيئة والتكنولوجيا 54، 9025-9033 (2020).
  84. سونغ، سي.، وانغ، زي.، يين، زي.، شياو، دي. وما، دي. مبادئ وتطبيقات التحفيز الضوئي الحراري. كيم. كاتال. 2، 52-83 (2022).
  85. لي، ج. وآخرون. التحفيز المتعدد الوظائف المدعوم بأشعة الشمس المحيطة للتقليل من التولوين عبر الانفصال في الموقع لـ على والد البيروفيسكايت. مجلة الهندسة الكيميائية. 412، 128560 (2021).
  86. وانغ، هـ. وآخرون. مراجعة للتحكم في العملية الكاملة للمركبات العضوية المتطايرة الصناعية في الصين. مجلة العلوم البيئية 123، 127-139 (2023).
  87. وانغ، ر. وآخرون. خصائص انبعاثات وتفاعلية المركبات العضوية المتطايرة من الصناعات النموذجية ذات الاستهلاك العالي للطاقة في شمال الصين. العلوم. البيئة الكلية 809، 151134 (2022).
  88. غويتلا، أ.، ثيفينيت، ف.، بوزينات، إ.، غيارد، ج. ورسو، أ. الأكسدة بواسطة البلازما تركيب: تأثير المسامية وآليات التحفيز الضوئي تحت تعرض البلازما. تطبيقات التحفيز B 80، 296-305 (2008).
  89. ترانتو، ج.، فورتشوت، د. وبيشات، ب. دمج البلازما الباردة و تحفيز ضوئي لتنقية الانبعاثات الغازية: دراسة أولية باستخدام هواء ملوث بالميثانول. الهندسة الكيميائية الصناعية والبحوث 46، 7611-7614 (2007).
  90. ما، ر.، صن، ج.، لي، د. هـ. ووي، ج. ج. مراجعة للتفاعل التآزري للضوء والحرارة: الآليات والمواد والتطبيقات. المجلة الدولية لطاقة الهيدروجين 45، 30288-30324 (2020).
  91. وانغ، س.، أنغ، هـ. م. وتادي، م. أ. المركبات العضوية المتطايرة في البيئة الداخلية والأكسدة الضوئية: أحدث ما توصلت إليه الأبحاث. البيئة الدولية 33، 694-705 (2007).
  92. ناير، ف.، مونييز-باتيستا، م. ج.، فيرنانديز-غارسيا، م.، لوكي، ر. وكولميناريس، ج. س. التحفيز الضوئي الحراري: التطبيقات البيئية والطاقة. كيم ساس كيم 12، 2098-2116 (2019).
  93. تشانغ، ي. وآخرون. الأكسدة الضوئية لإزالة المركبات العضوية المتطايرة: من البحث الأساسي إلى التطبيقات العملية. علوم البيئة والتكنولوجيا 56، 16582-16601 (2022).
  94. توماتيس، م. وآخرون. إزالة المركبات العضوية المتطايرة من الغازات النفايات باستخدام أكسدة حرارية متنوعة: دراسة مقارنة تعتمد على تقييم دورة الحياة وتحليل التكلفة في الصين. مجلة الإنتاج النظيف 233، 808-818 (2019).
  95. باسكاران، د.، ذاموداران، د.، بيهيرا، أ. س. & بيون، هـ.-س. مراجعة شاملة ورؤية بحثية في دمج التكنولوجيا لعلاج المركبات العضوية المتطايرة الغازية. البحث البيئي. 251، 118472 (2024).
  96. كونغ، ج. وآخرون. آلية التحلل التآزري والتعادل الضوئي الحراري للمعادن للمواد العضوية المتطايرة النموذجية على محفزات مسامية مرتبة PtCu/CeO2 تحت إشعاع شمسي محاكى. مجلة الحفز. 370، 88-96 (2019).
  97. زينغ، ي.، تشونغ، ج.، فنغ، ف.، يي، د. & هو، ي. التأكسد الضوئي الحراري التآزري لمزيج الميثانول والتولوين باستخدام محفز مشتق من Co-MOFs: تأثيرات الواجهة والترويج. مجلة الهندسة الكيميائية 485، 149720 (2024).
  98. سون، هـ. وآخرون. تنقية الهواء الداخلي الناتجة عن ضوء الغرفة باستخدام تقنية فعالة المحفز الضوئي. تطبيقات التحفيز B 108-109، 127-133 (2011).
  99. لو، هـ. وآخرون. تطبيقات فينتون على نطاق تجريبي ونطاق كبير مع محفزات نانوية معدنية: من وحدات التحفيز إلى تطبيقات التوسع. أبحاث المياه 266، 122425 (2024).
  100. بويجو، ي.، صن، هـ.، ليو، ج.، باريك، ف. ك. ووانغ، س. مراجعة حول التحفيز الضوئي لمعالجة الهواء: من تطوير المحفزات إلى تصميم المفاعلات. مجلة الهندسة الكيميائية 310، 537-559 (2017).
  101. فيدال، ج.، كارفاخال، أ.، هويليينير، ج. وسالازار، ر. معالجة مياه الصرف الصحي من المسالخ بواسطة عملية هضم لاهوائي مركب/عملية فوتوإلكترو-فينتون الشمسية التي تمت في تشغيل شبه مستمر. مجلة الهندسة الكيميائية 378، 122097 (2019).
  102. ميراليس-كويفاس، س. وآخرون. هل تعتبر مجموعة أغشية النانوترشيح وعمليات الأكسدة المتقدمة فعالة من حيث التكلفة لإزالة الملوثات الدقيقة في مياه الصرف الصحي البلدية الحقيقية؟ علوم البيئة. موارد المياه 2، 511-520 (2016).
  103. رودا-ماركيز، ج. ج.، ليفتشوك، إ.، مانزانو، م. وسيلانبا، م. تقليل السمية لمياه الصرف الصناعي والبلدي بواسطة عمليات الأكسدة المتقدمة (فوتو-فينتون، UVC ، فنتون الكهربائي وفنتون الجلفاني): مراجعة. المحفزات 10، 612 (2020).
  104. نوت، ت.، فاهلنكامب، هـ. وسونتاج، س. معدل استهلاك الأوزون وعائد الجذور الحرة الهيدروكسيلية في أوزنة مياه الصرف الصحي. علوم البيئة والتكنولوجيا 43، 5990-5995 (2009).
  105. مهرليبور، ج.، أكبرى، ح.، أديب زاده، أ. وأكبرى، ح. تحلل توسيليزوماب عبر عملية الأوزون الضوئي التحفيزي من المحاليل المائية. تقارير علمية 13، 22402 (2023).
  106. رادجينوفيتش، ج. وسيدلاك، د. ل. التحديات والفرص للعمليات الكهروكيميائية كتقنيات من الجيل التالي لمعالجة المياه الملوثة. علوم البيئة والتكنولوجيا 49، 11292-11302 (2015).
  107. لانزاريني-لوبيس، م.، غارسيا-سيغورا، س.، هريستوفسكي، ك. وويسترهوف، ب. الطاقة الكهربائية لكل طلب وكفاءة التيار للأكسدة الكهروكيميائية لحمض p-كلوروبنزويك باستخدام أنود ماسي مشوب بالبورون. كيموسفير 188، 304-311 (2017).

شكر وتقدير

يشكر المؤلفون البرنامج الوطني الرئيسي للبحث والتطوير في الصين (2021YFA1202700، 2022YFB3504203)، وجمعية تعزيز الابتكار للشباب في الأكاديمية الصينية للعلوم لدعم J.X. (2022308) و J.Y. (2023320)، ومؤسسة العلوم الطبيعية الوطنية في الصين (22376193) ومجلس الأبحاث الأسترالي (FL230100178). يقر J.H. و M.R. بالدعم المالي من مؤسسة الأبحاث – فلاندرز (FWO، رقم المنحة G0983.19N، GOF2322N، VSO6523N) والصناديق الداخلية لجامعة KU Leuven من خلال المشروع C3/20/067 و CELSA/21/016. يقر J.H. بالحكومة الفلمنكية من خلال التمويل الهيكلي طويل الأجل Methusalem (CASAS2، Meth/15/04) ومشروع Moonshot cSBO P2C (HBC.2019.0108). استخدم المؤلفون ChatGPT مع GPT-4 من OpenAI لتحرير اللغة للمسودات السابقة من هذه المخطوطة.

مساهمات المؤلفين

ساهم جميع المؤلفين بشكل كبير في مناقشة المحتوى، وكتبوا المقالة وراجعوا و/أو حرروا المخطوطة قبل التقديم.

المصالح المتنافسة

يعلن المؤلفون عدم وجود مصالح متنافسة.

معلومات إضافية

معلومات إضافية النسخة الإلكترونية تحتوي على مواد إضافية متاحة فيhttps://doi.org/10.1038/s44359-025-00037-1.
تُعرب مجلة Nature Reviews Clean Technology عن شكرها لـ م. عطيه، الذي شارك في مراجعة العمل مع أ. بوتزلاف؛ ل. يانغ؛ والمراجعين الآخرين المجهولين لمساهمتهم في مراجعة هذا العمل.
ملاحظة الناشر: تظل شركة سبرينغر ناتشر محايدة فيما يتعلق بالمطالبات القضائية في الخرائط المنشورة والانتماءات المؤسسية.
تمتلك شركة Springer Nature أو المرخص لها (مثل جمعية أو شريك آخر) حقوقًا حصرية على هذه المقالة بموجب اتفاق نشر مع المؤلفين أو أصحاب الحقوق الآخرين؛ إن أرشفة المؤلف لنُسخة المخطوطة المقبولة من هذه المقالة تخضع فقط لشروط اتفاق النشر هذا والقانون المعمول به.
(ج) شركة سبرينجر ناتشر المحدودة 2025

  1. المختبر الوطني الرئيسي لتكنولوجيا البيئة المتقدمة، معهد البيئة الحضرية، الأكاديمية الصينية للعلوم، شيامن، الصين. جامعة الأكاديمية الصينية للعلوم، بكين، الصين. كلية الإلكترونيات وعلوم المعلومات، جامعة فوجيان جيانغشيا، فوزهو، الصين. قسم الهندسة الكهربائية وعلوم الحاسوب، جامعة تورونتو، تورونتو، كندا. مختبر المواد الحية في المختبر الوطني الرئيسي للتكنولوجيا المتقدمة لتخليق المواد ومعالجتها، جامعة ووهان للتكنولوجيا، ووهان، الصين. cMACS، قسم الأنظمة الميكروبية والجزيئية، جامعة KU Leuven، لوفين، بلجيكا. قسم الكيمياء، جامعة KU Leuven، لوفين، بلجيكا. قسم الكيمياء، جامعة تسينغhua، بكين، الصين. مدرسة الهندسة الكيميائية، جامعة أديلايد، أديلايد، جنوب أستراليا، أستراليا. قسم هندسة الطاقة، معهد كوريا لتكنولوجيا الطاقة (KENTECH)، ناجو، كوريا الجنوبية. البريد الإلكتروني: bweng@iue.ac.cn; jfxie@iue.ac.cn; hpjia@iue.ac.cn; ymzheng@iue.ac.cn

Journal: Nature Reviews Clean Technology, Volume: 1, Issue: 3
DOI: https://doi.org/10.1038/s44359-025-00037-1
Publication Date: 2025-03-04

Photo-assisted technologies for environmental remediation

Bo Weng , Meng Zhang , Yingzheng Lin , Jiacheng Yang , Jiangquan Lv , Ning Han , Jiafang Xie , Hongpeng Jia , Bao-Lian Su , Maarten Roeffaers , Johan Hofkens , Yongfa Zhu , Shaobin Wang , Wonyong Choi & Yu-Ming Zheng

Abstract

Industrial processes can lead to air and water pollution, particularly from organic contaminants such as toluene and antibiotics, posing threats to human health. Photo-assisted chemical oxidation technologies leverage light energy to mineralize these contaminants. In this Review, we discuss the mechanisms and efficiencies of photo-assisted advanced oxidation processes for wastewater treatment and photothermal technologies for air purification. The integration of solar energy enhances degradation efficiency and reduces energy consumption, enabling more efficient remediation methods. We evaluate the technological aspects of photo-assisted technologies, such as photo-Fenton, photo-persulfate activation, photo-ozonation and photoelectrochemical oxidation, emphasizing their potential for practical applications. Finally, we discuss the challenges in scaling up photo-assisted technologies for specific environmental remediation needs. Photo-assisted technologies have demonstrated effectiveness in environmental remediation, although large-scale applications remain constrained by high costs. Future potential applications of photo-assisted technologies will require that technology selection be tailored to specific pollution scenarios and engineering processes optimized to minimize costs.

Sections

Introduction
Water purification
Air purification
Summary and future perspectives

Key points

  • Photo-assisted advanced oxidation processes efficiently treat wastewater, whereas photothermal technologies are used in air purification.
  • The integration of solar energy can enhance efficiency of remediation processes and reduce energy consumption.
  • Solar energy interacts with chemical oxidation processes, which results in the formation of reactive oxygen species that accelerate the degradation of pollutants.
  • Wastewater treatments, such as the Fenton oxidation process, consume a high quantity of and are kinetically slow. Integrating solar energy accelerates the process.
  • Using compound parabolic collectors and raceway pond reactors optimizes light harvesting and enables remediation at concentrations of milligrams per litre and below.
  • Combining different advanced oxidation technologies can help to reduce energy consumption and widen the range of contaminants that can be mineralized.

Introduction

Environmental pollution of water and air can adversely affect health and ecosystems . Remediation technologies, such as chemical oxidation , adsorption and filtration , have been developed to eliminate organic pollutants. Among these technologies, advanced oxidation processes (AOPs) and thermal catalytic oxidation are used because of their versatility and ability to achieve complete mineralization of pollutants, avoiding the generation of secondary pollutants . However, these methods can be costly, highlighting the need for more efficient and cost-effective solutions .
Integrating solar energy into remediation technologies can enhance their efficiency and sustainability . Solar energy can interact with chemical oxidation processes to promote the generation of reactive oxygen species (ROS) . This accelerates pollutant degradation and reduces reliance on external energy sources . For example, in photo-Fenton activation, a typical photo-assisted AOP, the integration of light enhances the AOP efficiency by generating more hydroxyl radicals and enabling the complete mineralization of contaminants with minimal energy input . Other photobased technologies are also used in water and air purification .
Despite their potential, several challenges hinder the effectiveness and widespread adoption of light-driven remediation technologies in practical environmental applications. The primary challenge lies in the limited light absorption by catalysts and/or oxidants. This limitation arises from two main factors: suboptimal absorption spectra of the materials, which restrict their activity to a narrow portion of the solar spectrum, and interference caused by impurities in the photo-assisted catalytic reaction systems, which reflect or absorb light . The stability of catalysts is also a concern , with many going through degradation or deactivation over time, which reduces their effectiveness and leads to ion leakage . Furthermore, the presence of competing substances, including heavy metals, and other co-existing pollutants in
polluted media can interfere with the catalytic process, diminishing the availability of the light-induced reactive species needed for effective remediations . This competition often requires higher catalyst dosages or prolonged reaction times, both of which can negatively affect the overall efficiency and practicality of the remediation technology . Another critical yet often overlooked aspect is the economic viability and sustainability of light-driven remediation technologies , particularly for large-scale applications where the costs of catalyst production and energy consumption must be carefully balanced to ensure overall efficiency. Addressing these issues is crucial for advancing the use of light-driven technologies in practical environmental remediation.
In this Review, we introduce the applications of photo-assisted technologies to water and air purification (Fig.1). We outline different photo-assisted advanced oxidation processes, including photo-Fenton, photo-persulfate activation, photo-ozonation and photoelectrochemical oxidation, for water purification, and highlight their mechanisms and efficiencies. Semiconductor-based photocatalysis is excluded from this Review as we aim to present light as an auxiliary method rather than the primary technical approach. Applications and benefits of photo-assisted thermal technologies for air purification, particularly for volatile organic compound (VOC) treatment, are also discussed. Finally, we evaluate the technology development stage and economic costs of these photo-assisted technologies to assess their practical applicability.

Water purification

For water purification, oxidation processes such as Fenton oxidation involve high chemical consumption of , contributing to operational costs . These methods, although effective, underscore the necessity for more efficient solutions to reduce the quantity of oxidants and the overall cost of the system. Strategies aiming at reducing cost by harnessing the power of light have been proposed to address this challenge (Fig. 2). By integrating photochemical techniques such as ultraviolet (UV)-assisted catalysis, the efficiency of antibiotics degradation can be enhanced . This approach reduces overall energy requirements and makes use of renewable energy sources . The incorporation of advanced light-harvesting materials and technologies can optimize the use of natural sunlight, thereby minimizing dependency on fossil-fuel based energy sources .

Photo-assisted Fenton oxidation

The Fenton process generates strong oxidizing species (Fig. 2a), and , through reactions between and (ref. 36) (equation (1)). However, the inherent slow reduction kinetics of Fe (III) ( ) limit the steady and high-efficiency operation of the Fenton process (equation (2)). Introducing external renewable energy into the Fenton process – known as the photo-Fenton process is a strategy to accelerate the reaction. Under UV light irradiation, the photoactive in the Fenton reaction promotes the reduction of Fe (III) and produces additional (refs. 38,39) (equation (3)). The photolysis of also contributes to the extra production of (equation (4)). Thus, with the assistance of light, both the rate of the redox cycle and the yield of produced active species in the Fenton reaction are improved, promoting pollutant decomposition .

Review article

Fig. 1|Photo-assisted technologies for water and air purification.
Photo-assisted advanced oxidation processes (AOPs) and photo-assisted thermal catalysis can be used for wastewater and air treatment. The wastewater from industries and municipal water usage is collected and transferred into a sewage
treatment plant for treatment. The effluent containing refractory organic pollutants is purified using photo-assisted AOPs. Volatile organic compounds (VOCs) generated from industry can be purified through photo-assisted thermal technologies.
Another issue in traditional Fenton processes (both homogeneous and heterogeneous) is a narrow pH operating window . Fe (III) tends to hydrolyse at , reducing the concentration of the active metal in the system . To address this issue, organic chelating ligands can be introduced in homogeneous Fenton systems, or catalysts can be added to heterogeneous Fenton systems . Regardless of whether it is a homogeneous or heterogeneous system, the introduction of light can enhance the catalytic degradation efficiency of the Fenton process . Light can aid the complete mineralization of organic compounds and the rapid reduction of Fe (III) by decomposing the partially oxidized by-products, such as iron complexes (for example, oxalates), through a ligand-to-metal charge transfer mechanism . Organic chelate ligands containing several carboxyl groups (for example, nitrilotriacetic acid and ethylene diamine tetra-acetic acid) have been added to the photo-Fenton reaction to ensure operational stability at near-neutral . Diversifying the chemical structure, functional groups and steric configuration of organic ligands (for example, nitrogen-containing groups, phosphonic acid groups, cyclic tetradentate ligands) can further functionalize the photo-Fenton reaction by selectively producing active species and extending the photoresponse wavelength to the visible or near-infrared range .
Heterogeneous Fenton systems show enhanced contaminant removal performance under light. The removal efficiency can increase by 2 to 13 times, depending on the physicochemical properties of the Fenton photocatalysts . The underlying mechanisms include the semiconducting behaviour of Fe(III) oxides, direct activation of surface hydroxyl species and , and the leakage of Fe (II) and Fe (III) cations, combining features of heterogeneous and homogeneous chemistry . In the homogeneous photo-Fenton process, the production of active species is heavily influenced by the photoresponsive properties of aggregates . Consequently, the structure of hydrolysed species has been correlated with the generation of active species under varying reaction conditions, such as pH and concentration . Alternatively, manipulating the spin state of active metal atoms in heterogeneous catalysts presents an efficient strategy to direct active species generation in the photo-Fenton reaction. The spin states of metal atoms are strongly influenced by the electronic properties of the support materials . Furthermore, the design of heterogeneous photocatalysts capable of in situ generation of known as the photo-self-Fenton reaction – can reduce the need for external (ref. 56).
Conventional homogeneous Fenton oxidation is used as a pretreatment process before biochemical treatment or as an advanced treatment following conventional wastewater treatment plants to remove emerging contaminants . Compared with the conventional homogeneous Fenton reaction, the homogeneous photo-Fenton reaction demonstrates a higher yield of active species, which leads to an enhanced mineralization rate relative to the Fenton process .
Fig. 2 | Photo-assisted technologies for water purification. Mechanisms of photo-assisted technologies for water purification. a, In photo-assisted Fenton oxidation, light can directly photolyse , or excite catalysts to generate electrons that will decompose to generate the hydroxyl radical, . b, In photo-assisted persulfate activation, persulfate is activated by light directly or a photogenerated charge carrier to produce and . c, In photo-assisted ozonation, ozone can react with ultraviolet (UV) light or photoexcited electrons to produce and radicals that react with pollutants in water and eliminate them. Full arrows represent the main reaction route, whereas the dashed arrows indicate secondary reaction routes. d. In photo-assisted electrochemical oxidation, light can excite either the photoanode or photovoltaic system to produce charge carriers to form reactive oxygen species. e, The electrical energy ( ) needed to degrade the concentration of a pollutant by one order
of magnitude in of water varies for different photo-assisted advanced oxidation processes. The values are based on data from ref. 63 and a defined experimental set-up with controlled conditions, including water quality, target contaminants and other relevant process parameters. When kinetic data are available, compounds that are susceptible to direct oxidation (for example, by ozone or UV photolysis) are excluded from consideration. For ozone-based and UV-based processes, the threshold values for rate constants are set at and . The box plots show quartiles with the centre line indicating the median and the whiskers extending to the interquartile range. CB, catalyst conduction band; LMCT, ligand-to-metal charge transfer; PDS, peroxodisulfate; PMS, peroxymonosulfate; VB, catalyst valence band. Panel e adapted with permission from ref. 63, Elsevier.
These improvements reduce the demand for oxidant chemicals and lower the operational costs of the homogeneous photo-Fenton reaction, highlighting its potential for large-scale applications similar to conventional homogeneous Fenton oxidation . The technical feasibility of the homogeneous photo-Fenton process has been demonstrated in a raceway pond reactor with a treatment capacity of (ref. 61). This technology might be used to enhance the biodegradability of wastewater and to remove emerging contaminants, such as microplastics and persistent organic pollutants, in secondary effluents in wastewater treatment plants .
Despite the high variability in water quality, process capacity and target substances, the median value of electrical energy per
order ( , defined as the electrical energy ( kWh ) required to degrade a contaminant by one order of magnitude in of water) of the photo-Fenton reaction is at a medium level among AOP technologies (Fig. 2e). The use of compound parabolic collectors and raceway pond reactors can help to further reduce energy consumption of the photo-Fenton process, through the optimization of the light-harvesting capabilities of the reaction . Typically, when the concentration of pollutants is in the range of milligrams per litre or above, tubular photoreactors with compound parabolic collectors are widely used because they can maximize the usage of irradiation energy (Fig. 3a). To remove contaminants at lower concentrations, raceway pond reactors have emerged as an alternative owing to their
low production cost compared with other reactors, high volume to surface, and flexibility to optimize the liquid depth according to the radiation strength (Fig. 3b).

Photo-assisted persulfate activation

In comparison with hydroxyl radicals ( ) generated in -based (or -based) oxidation processes, sulfate radicals ( ) offer marked advantages (Fig. 2b). These advantages include a longer half-life ( s versus 20 ns for ) and a higher redox potential (2.5-3.1 compared with 1.9-2.7 for . Moreover, the ease of transport and storage of solid persulfate salts (for example, peroxodisulfate and peroxymonosulfate), coupled with their high efficiency in generating radicals ( and ) and non-radical species ( and high-valent metal-oxo), has made photo-assisted persulfate oxidation technique one of the most relevant AOPs for water decontamination .
Since UV light began being used for peroxodisulfate activation , the development of photo-assisted persulfate oxidation has evolved from light-based homogeneous activation processes to photoresponsive catalyst-driven heterogeneous catalysis . The catalysts commonly used in a photo-assisted persulfate oxidation include metal-based oxides and their composites (such as , bismuth oxides, Fe -based and Ti-based metal-organic frameworks, and transition metal dichalcogenides), and non-metal materials (such as graphitic carbon nitride ( ), carbon quantum dots and perylene diimide) and their composites . In addition to enhancing radical generation, the use of photocatalysts in persulfate activation can also promote the formation of non-radical species . These species enable non-radical oxidation of contaminants, which is emerging as a decontamination strategy owing to its strong resistance to complex water matrices and its high persulfate utilization efficiency (up to ) with a low stoichiometric ratio .
Energy transfer and electron transfer are two accepted mechanisms for photo-assisted persulfate oxidation. External light radiation-mediated energy transfer can directly induce the homolysis of peroxide bonds within peroxymonosulfate and peroxodisulfate, producing and/or in photo-assisted homogeneous persulfate activation . Additionally, peroxymonosulfate and peroxodisulfate
a Composite parabolic collectors
Fig. 3 | Operation of composite parabolic collectors and raceway pond reactors. Parabolic collectors and raceway pond reactors can improve light harvesting and help reduce the energy consumption of the photo-Fenton process. a, Composite parabolic collectors can concentrate and reflect most of the incident radiation to the absorber, and tubular photoreactors maximize
molecules can act as electron acceptors, capturing electrons generated on the light-irradiated surface of solid photocatalysts . The photogenerated electrons can activate peroxodisulfate and peroxymonosulfate via electron transfer processes . Photoresponsive catalysts, including , Fe -based and Ti -based metal-organic frameworks, and transition metal dichalcogenides, usually have multiple surface structures and possess different catalytic activities in the persulfate activation, which can lead to the formation of ROS and thus the degradation of pollutants . The use of photoresponsive materials is advantageous because it extends the light absorption range from UV to visible and near-infrared regions . However, the rational design of photocatalysts with near-infrared light-reinforced persulfate activation is still a technological challenge.
The water purification performance of photo-assisted persulfate oxidation relies on the types of ROS and their resistance towards the water matrix (such as pH and inorganic ions) . Given the broader range of second-order reaction rate constants of with organic pollutants ( compared with for OH ) and its preferred oxidation pathways , the radical is considered a more selective oxidant than (ref. 76). This selectivity has led to the design of water matrix-specific decontamination processes . For example, UV-mediated persulfate hybrid systems have been used in pilot-scale and industrial-scale tertiary wastewater treatment to remove various micropollutants, bacteria and their associated antibiotic resistant genes . However, the practical implementation of photo-assisted persulfate oxidation techniques in water-related utilities is still in its early stages .For instance, the pilot-scale application of photo-assisted persulfate oxidation is mainly focused on UVA-based homogeneous oxidation processes with a treated wastewater scale of about (ref. 77). Although this pilot-scale application might be suitable for point-of-use water purification systems, it remains largely unknown whether this technology has the capacity to purify real effluents from large sewage treatment plants ( per day). Therefore, the technical viability of large-scale wastewater purification with these technologies should be evaluated, as well as their compatibility and potential conflicts with current purification technologies .
b Raceway pond reactors
the usage of irradiation energy. b, Raceway pond reactors have a high surface-area-to-volume ratio and the flexibility to optimize the liquid depth. Pretreated effluent and catalysts (for example, and iron-based catalysts) enter the reactor through a vertical inlet pipe, and treated water is collected through a vertical outlet pipe.
Among other indicators, the energy consumption volume ( value associated with the production of oxidants and catalysts and the degradation of contaminants) is an environmental and economical assessment parameter . Available values for typical photo-assisted persulfate oxidation processes range from to order (ref. 75). Differences in the values arise from many factors, such as the types of contaminant, water matrix conditions, catalyst synthesis procedures and the quality objective of water purification . Given the wide range of values, the introduction of photocatalysts might not necessarily contribute to a lower value or to environmentally friendly water purification in some cases . Compared with the photo-assisted homogeneous persulfate oxidation process, accurately calculating the values for photocatalyst-mediated heterogeneous processes is more complex . This challenge arises primarily from the lack of data and uncertainties surrounding energy consumption associated with the recyclability and reusability of catalysts in real wastewater purification scenarios, and makes it difficult to conduct a comprehensive sustainability evaluation. Normalized protocols detailing the preparation of photocatalysts and their recyclability and reusability are encouraged to accurately calculate the energy consumption, and thus assist the development of photo-assisted persulfate oxidation technology with a low carbon footprint.

Photo-assisted ozonation

Ozone, as a powerful oxidizing reagent, has been used in wastewater purification owing to its strong redox potential ( . However, the application of ozone alone faces the disadvantages of high production cost (US of ozone for a concentration of ozone around , slow volumetric mass transfer coefficient depending on operating conditions) and low mineralization efficiency due to ozone’s relatively poor solubility and stability in water, as well as its selective reactivity with organic compounds at acidic . Integrating light with ozone, whether through homogeneous UV- processes or heterogeneous light- -semiconductor systems, is advantageous . The ozone consumption, per milligram of total organic carbon (TOC) removal, of a light- -semiconductor system has been reported to be about of that of a simple ozonation system . In a heterogeneous system (Fig. 2c), light excites the semiconductor to generate electrons that preferably react with ozone rather than with , owing to the high electrophilicity of ozone, thus generating more ROS, including and , to enhance the degradation of pollutants . The interaction between ozone and electrons also aids the separation of electron-hole pairs. The abundant active sites on the surface of photocatalysts, such as and , promote the interaction between ROS and pollutants, overcoming mass transfer in the ozonation reaction . Furthermore, when is directly exposed to UV light, it dissociates to generate atomic oxygen, which can further react with water to produce (ref. 84).
Photocatalytic ozonation exhibits synergistically enhanced oxidation efficiencies (pseudo-zeroth-order rate of ) compared with the photocatalysis ( ) and ozonation ( ) systems operating separately . The synergistic effect of photocatalytic ozonation is evident in the increasing degradation and/or mineralization efficiencies or oxidation rate constants of organic compounds . The apparent rate constant of photocatalytic ozonation is 9.5 and 1.6 times higher than that of photocatalysis and ozonation, respectively, for mineralizing aromatic compounds . This efficiency is attributed to the generation of more reactive but
non-selective that reacts with almost all organic molecules at rates of during the photocatalytic ozonation process .
Despite the synergistic effects of photocatalytic ozonation on pollutant decomposition in water, its economic viability must also be considered to assess sustainability. Photocatalytic ozonation, which requires additional electrical energy for ozone generation, at first glance seems to be more expensive than simple photocatalysis, which only consumes electricity for light irradiation sources. When comparing the costs of these oxidation techniques for water treatment, the specific energy consumption for each system should consider the decomposed pollutants . Taking a UVA system as an example, the energy consumption primarily arises from the electrical energy necessary to generate and radiation, which is the main operation cost for those different processes . The energy requirement for photocatalytic ozonation is order , which is lower than the energy consumption of photocatalysis ( order ) and alone . Accordingly, the operating cost of different systems can be calculated based on local electricity prices. Similar results have been reported in the literature , demonstrating the cost-effectiveness of photocatalytic ozonation.

Photo-assisted electrochemical oxidation

Although electrochemical advanced oxidation technology shows promise for industrial applications, the high electricity requirements increase operational costs . Integrating solar energy into electrochemical advanced oxidation processes is regarded as an effective strategy to enhance efficiency and reduce energy demands (Fig. 2d).
There are two general routes to achieve photo-assisted electrochemical oxidation processes. The first type consists of coupling external energy input (UV light or photovoltaic (PV) cells) with an electrolyser (UV-EC or PV-EC, Fig. 4a). An electrolyser includes a cathode, anode and electrolyte, in which the anode and cathode are responsible for removing pollutants through direct redox reactions or indirect production of active free-radical species . The efficiency and lifespan of an electrolyser are primarily determined by the electrode substrate, electrocatalysts in the cathode and anode, and the fabrication processes . Additionally, the pretreatment of influent water and the addition of strong oxidants to accelerate the generation of active free-radical species can substantially enhance the production of high-quality effluent water . In a PV-EC system, an electrolyser containing electrocatalytic anodes, such as dimensionally stable anodes and boron-doped diamond electrodes , is powered by commercialized silicon-based PV cells. In a UV-EC system, the UV light can activate the electrolyte to produce free-radical species, thus promoting the degradation of pollutants . The PV-EC system has been proven to be practical for small-scale rural water supply, yet restricted by the high costs (around US ) associated with equipment and maintenance . For economic reasons, the application of this system could be more suitable in regions with more sunlight throughout the year and concentrated influent streams .
The second type of photo-assisted electrochemical oxidation process involves using semiconductor materials to prepare photoelectrodes for photoelectrochemical advanced oxidation (PECAO, Fig. 4b). In PECAO, the use of photoelectrodes simplifies the equipment set-up and enables more convenient connections with other multifunctional tandem components compared with a PV-EC system . Moreover, a higher charge separation efficiency and easier recovery of the catalyst could be achieved compared with a photocatalytic system . In the PECAO system, the solar energy used by the

a UV- and PV-electrolyser system

b Photoelectrochemical advanced oxidation system

Fig. 4 | Photo-assisted electrochemical oxidation processes.

a, Ultraviolet (UV)-electrolyser and photovoltaic (PV)-electrolyser system.
b, Photoelectrochemical advanced oxidation (PECAO) system. c, Key properties of electrochemical advanced oxidation systems for practical wastewater treatment applications. The pretreatment reduces the interference of the influent water, whereas the continuous-flow mode enhances throughput capacity and operational stability. Under sunlight, the photoanode absorbs light energy to generate holes and electrons. A thin layer on the photoanode improves light utilization efficiency. The cathode catalyses oxygen reduction to
produce reactive oxygen species (ROS), with electrolyte additives accelerating their generation. The mechanical durability of the electrodes determines their lifespan, directly influencing the overall device longevity. Low ohmic loss in the system minimizes unnecessary electrical consumption and improves operational stability. By coupling the photoanode and cathode, organic pollutants are efficiently removed. Furthermore, tuning catalytic properties and operating parameters can yield targeted value-added by-products, enhancing the economic viability of the process. D, degradation products; P, pollutants.
photoelectrode lowers the voltage required to drive the reactions, whereas the applied bias accelerates the charge separation process under an electric field . The PECAO system includes photoelectrocatalysis, photoelectrochemical oxidation, photo-electrocoagulation and photoelectrochemical Fenton processes . The photoelectrodes in the PECAO system undergo similar processes for solar light utilization. Upon absorbing solar light, the photoelectrodes generate electrons and holes in the conduction and valence bands, respectively . The electrons are transferred to the counterelectrode, while the holes drive various reactions . In photoelectrocatalysis, the holes aid the formation of ROS upon reaching the surface of the photoelectrocatalysts . In photoelectrochemical oxidation, the holes directly oxidize pollutants . In photo-electrocoagulation, the holes accelerate the electrochemical dissolution of the anode, resulting in the formation of coagulant agents . In photoelectrochemical Fenton processes, the holes enhance the Fenton reaction . Considering that different ROS (for example, , and ) have distinct standard potential values, reaction tendencies and complex interconversion pathways, photo-assisted electrochemical oxidation demonstrates potential by offering a convenient method
to control ROS generation with specific compositions for targeted wastewater treatment .
Photoelectrodes in PECAO are generally composed of inorganic semiconductors, such as and , which have limited solid-liquid interface for both bulk and dense nanostructure photoelectrodes, resulting in low efficiencies . Porous materials, such as metal-organic frameworks and covalent organic frameworks, which possess highly ordered structures, large porosities and diversified pore surfaces, are expected to lead to efficient wastewater treatment due to their fast mass transfer pathways and abundant exposed active sites . As most ROS are generated at the anodic side by photogenerated holes, the cathode can accept photogenerated electrons to catalyse oxygen’s reduction to generate in an -saturated solution using carbonaceous materials . Although carbonaceous materials are cheap and readily available compared with metal materials, they are short lived and unstable in electrolytes, which motivates the development of inexpensive materials with high stability . Alternatively, an electron-ion acceptor cathode can enhance the separation of electrons and holes, producing strong oxidant free radicals at the photoanode . Based on mechanistic studies of charge transfer, separation kinetics and redox

Review article

reactions on photoelectrodes, further research is recommended to explore the structure-activity relationship between ROS generation and their interactions with pollutants. This knowledge would help to advance the development of PECAO for practical applications in wastewater treatment.
Although substantial efforts have been made to improve the properties of the PECAO system under simplified simulated conditions in the laboratory, challenges remain for its practical application. Real-world wastewater treatment imposes higher demands on the design of the PECAO system and electrodes because of complex interferences, variable water quality and large-scale water volumes (Fig.4c). To reduce the interferences, membrane filtration has been a common pretreatment process used to remove suspended solid and colloidal particles in wastewater. Moreover, to improve the throughput capacity of a PECAO system, rationally designing continuous-flow reactors and larger photoelectrodes of higher specific surface area can enhance the mass transfer and treatment efficiency . To further increase the light utilization efficiency, reducing the thickness of semiconductors and electrolytes between the photoelectrodes and light source could be a cost-effective strategy . Additionally, designing photoanodes that respond to near-infrared light could be an effective approach to increase sunlight utilization .
The lifetime of a PECAO system is another important aspect that is heavily affected by the properties of wastewater and the abovementioned improvement strategies . However, current research on the PECAO system is mainly focused on its feasibility, and its practical application is still very limited. The mechanical stability of catalyst immobilization on photoelectrodes primarily determines the lifetime, especially in continuous-flow systems . Advanced preparation methods of photoelectrodes, such as sputtering and atomic layer deposition, have been developed to improve the mechanical stability of catalysts. The sputtering method focuses on depositing thin films on the surface of the silicon and/or wafer glass, and the atomic layer deposition method can create planar or nanostructured electrodes .
Finally, the cost of electrical energy consumption limits the present output-to-input ratio of the PECAO system and other photo-assisted electrochemical oxidation technologies . Simultaneously reducing the unnecessary electrical cost and increasing the added revenue would promote the practical application of PECAO . Electrical cost can be reduced by lowering the ohmic loss of every component in devices and developing photoelectrodes for using solar energy . The added revenue could be increased by coupling the photo-assisted electrochemical oxidation processes with value-added production processes, such as reduction or evolution, when the concentration of pollutants is low and the produced can be used as an electron donor for anaerobic fermentation . Although photo-assisted electrochemical oxidation technologies are currently challenged by cost and lifetime, they have shown potential for sustainable water treatment.

Integrated multiple photo-assisted oxidation processes

Coupling multiple AOP technologies might help achieve more efficient water-treatment outcomes and reduce overall energy consumption, compared with individual advanced oxidation technologies . By combining different AOPs, a wider variety of ROS and radicals such as hydroxyl, sulfate and ozone-derived radicals can be generated . This variety increases the likelihood of targeting and degrading a broader range of contaminants . The introduction of light can activate catalysts and/or sensitizers within the system, leading to the generation of additional reactive species. These reactive species
can accelerate the degradation of pollutants and improve the overall energy efficiency of the remediation process . For example, the photoelectro-Fenton process combines the advantages of photo-Fenton and electro-Fenton processes , using light to enhance the production of hydroxyl radicals while the electrochemical component regenerates the iron catalyst and hydrogen peroxide, ensuring continuous pollutant degradation.
Additionally, light helps to regenerate from , maintaining the catalytic cycle and aiding continuous production of hydroxyl radicals. The stability of catalysts over longer periods can be further improved by integrating light with multiple AOPs, reducing frequent replacement or regeneration of catalysts . A coupled solar photoelectro-Fenton and solar photocatalysis system exhibited higher efficiency and stability than electrochemical oxidation and photoelectro-Fenton processes towards salicylic acid degradation . The energy consumption of the coupled system at was determined to be TOC at 360 min , which is less expensive than solar photoelectro-Fenton ( ) and anodic oxidation- -solar photocatalysis ( ), confirming the viability of the solar photoelectro-Fenton and solar photocatalysis system for the remediation of polluted wastewater .
Photo-assisted multi-technologies could improve treatment efficiency, but this has challenges, such as the complexity of reaction mechanisms and the risk of formation of by-products . The interactions between different oxidative species and pollutants can lead to unexpected reaction pathways, potentially generating harmful by-products . Photo-assisted multi-system structures can be rationally optimized to be more efficient through strategic considerations across multiple factors, including the selection of AOP combinations, catalyst development, reaction conditions and reactor design . Different photo-assisted AOPs generate specific reactive species (for example, and ), enabling broader pollutant degradation . By coupling AOPs that produce complementary radicals, treatment processes can target diverse contaminants more effectively while minimizing by-products and reducing the need for post-treatment .
Catalyst development has a role in enhancing the generation of reactive species and overall degradation efficiency. Designing dual-function photocatalysts that activate multiple oxidants, such as and persulfate under light irradiation, can optimize systems such as photo-Fenton-persulfate . Incorporating noble or transition metals with semiconductor catalysts improves light absorption, charge carrier separation, and activation of oxidants such as and ozone , enhancing both Fenton and ozonation processes efficiencies in multi-AOPs systems. Reaction conditions also influence the system performance. Parameters such as pH , light intensity, temperature, and the concentrations of oxidants and contaminants must be carefully controlled . For instance, excessive oxidant concentrations could result in radical scavenging, whereas insufficient levels reduce oxidation efficiency . Acidic conditions favour Fenton reactions, whereas persulfate systems are more effective under neutral to slightly alkaline conditions . Designing systems that operate efficiently across a pH range enhances their adaptability for diverse wastewater compositions.
Efficient reactor design is critical for maximizing interactions between light, catalysts and pollutants . Reactor configurations that enhance light penetration, such as cylindrical reactors with central light sources or flat-plate reactors, promote even illumination and minimize shadowing effects . Optimized flow configurations
Table 1 | Advantages and disadvantages of photo-assisted advanced oxidation process technologies
Photo-assisted advanced oxidation processes Advantages Disadvantages Environmental scenarios
Photo-Fenton
Formation of strong non-selective
Efficient for a wide range of contaminants
Simple implementation
High operational costs ( € 0.44 to € )
Additional oxidants required
Difficulties in transporting chemicals such as
Drinking water treatment system; effluent from municipal wastewater treatment plants; raw oily wastewater
Photo-persulfate
Longer lifetime of than OH
High oxidation potential
Rapid reaction rate ( )
Wide work pH range (2.0-8.0)
Increases the salt content and presence of sulfate ions as end products
Additional oxidants (persulfate, peroxymonosulfate) required
Health and safety concerns
Pharmaceutical wastewater; effluent from municipal wastewater treatment plants
Photo-ozonation
High yield of ⋅ OH radicals (above )
Efficient for a wide range of contaminants
No pH restrictions
No oxidants required
Risks associated with ozone generation
Requires high electrical energy to generate reactive species
Generation of toxic by-products
Drinking water treatment system; effluent from municipal wastewater treatment plants; pharmaceutical wastewater
Photoelectrochemical oxidation
High controllability
No oxidants required
Multiple reactive species production
Easy to recycle
High cost of electrode materials (such as conductive diamond electrodes , platinum, ruthenium, iridium)
Electrode fouling
Requires high electrical energy to generate reactive species
Generation of secondary pollutants
Petroleum refinery wastewater; effluent from municipal wastewater treatment plants
ensure consistent pollutant-catalyst contact and effective mixing . For large-scale applications, continuous-flow reactors equipped with UV lamps or solar collectors can improve throughput while reducing operational costs . The degradation efficiency can also be improved using advanced control and monitoring systems, integrating real-time sensors for light intensity and pollutant concentration .
For large-scale applications, photo-assisted AOP technologies must consider practical environmental scenarios, as different photo-assisted AOPs offer distinct advantages and limitations (Table 1). The varying conditions of wastewater necessitate the selection of the most appropriate treatment approach (Supplementary Table 1).

Air purification

Air purification technologies include both recovery techniques (such as absorption, condensation and membrane separation) and destructive methods (such as thermal incineration and thermal catalytic oxidation) . Destructive methods completely degrade organic pollutants (especially VOCs such as toluene and benzene) into small molecules such as and water . However, destructive methods generally require the application of external energy and/or catalysts to decompose pollutants into final products . A typical process like thermal catalytic oxidation benefits from the introduction of renewable energy sources, such as solar energy, as an auxiliary energy source . Solar energy can be directly converted into electrical, thermal and chemical energy via photo-assisted thermal (or photothermal) catalysis , which enables a more comprehensive exploitation of energy across the solar spectrum, encompassing extended wavelength ranges such as visible and infrared light. Therefore, energy-intensive thermal catalysis methods can benefit from light-induced heating effects or concentrated solar irradiation to attain elevated temperatures, which reduces the energy consumption of the system .
Photothermal catalytic processes can be generally classified into two categories : photo-assisted thermal catalysis driven by external electric heating and auxiliary light, and photo-driven
(photo)thermal catalysis obtaining energy from the solar spectrum (Fig. 5a). Photo-assisted thermal catalysis uses photochemical processes to enhance thermal reactions by introducing additional light into traditional thermal catalytic systems . Photogenerated charge carriers and their derived oxidizing species boost the primary thermal oxidation process . During photo-assisted thermal catalytic oxidation, light promotes the activation of reactants, improving the overall efficiency . Additionally, the charge separation in the photocatalytic system can be accelerated by the presence of an external heat source . The selection of a photo-assisted thermal catalysis process should consider the volume of pollutant gases (Supplementary Fig. 1).
Photo-induced (photo)thermal catalysis involves light as a heat source without relying on external heat . Taking transition metal oxides as examples, the oxidation mechanism of VOCs follows the Mars-Van Krevelen mechanism .Under light irradiation, the photothermal catalyst layer absorbs photons and converts solar energy into thermal energy through non-radiative relaxation, leading to a rapid increase in the layer temperature . Then, the lattice oxygen in catalysts reacts with VOC molecules driven by the light-induced heat and is subsequently replenished by adsorbed oxygen species . Additionally, transition metal oxide semiconductors can be excited by light to generate charge carriers, producing strong oxidative species (photogenerated holes, and ) that enhance VOC oxidation performance . The high temperature of catalysts (generally above ) also aids the separation and mobility of charge carriers . Moreover, light enhances the activation of lattice oxygen in transition metal oxides, thereby accelerating the reaction rate . This approach uses the entire solar spectrum ( ) without the need for external electric heat sources, integrating the benefits of both photochemical and thermochemical pathways .
Photo-assisted thermal catalysis for air purification has advanced owing to its harnessing of sunlight and its superior catalytic efficiency compared with conventional thermal catalytic processes . With the

a Photo-assisted technologies for air purification



assistance of light irradiation, the thermal catalytic reaction system performance – VOC conversion efficiency – can increase by at least . This increase is attributed to the enhanced activation of the reactants by photoexcited holes and the generated oxidative radicals . Tailoring the microscopic structure of catalysts can help to enhance
light-harvesting efficiency and catalytic activity . The design criteria of photothermal catalysts typically aims to achieve comprehensive absorption across the solar spectrum, high photothermal conversion efficiency (>99%) and good reactivity and stability (longer than 100 h ) towards targeted reactions .

Review article

Commonly used photothermal catalysts include supported precious metal catalysts (such as and Pt , transition metal oxides (such as and ) , plasmonic metals and zeolites , many of which absorb light, making them suitable for photothermal catalytic VOC oxidation (Fig. 5b,c and Supplementary Table 2). Factors such as cost, reaction activity and operational stability are critical for the development and application of these catalysts . For example, precious metal catalysts are efficient and thus appealing in industrial applications, but their high cost limits their widespread use . Enhancing the activity of non-precious metal catalysts while reducing reliance on precious metals is crucial for the economic viability of photothermal catalytic air purification. Addressing stability and resistance to carbon deposition and poisoning by chlorine and sulfur is also essential for practical applications . In industrial settings, the economic repercussions of catalyst poisoning and instability, which can lead to production halts, are often substantial . Therefore, improving the resilience of catalysts to such issues is a key area of ongoing research and development.
Photo-assisted thermal catalysis for air purification remains largely confined to laboratory-scale experimentation and has not achieved large-scale applications . However, compared with conventional thermal catalysis, laboratory-scale photothermal catalytic processes using artificial sunlight (xenon lamp) show some cost advantage. In some cases, the costs of photothermal reactions can be reduced by compared with thermal catalysis, even though the use of simulated light sources requires additional energy input . Moreover, the use of renewable solar energy could reduce the carbon emissions and simultaneously produce fuels such as methanol during the reaction process . For large-scale applications, optimizing energy supply mechanisms and reactor configurations is important to achieve high temperatures for VOC degradation. One approach uses an electric heating furnace with a light window on its sidewall for light ingress . Another approach uses a cylindrical stainless-steel model mimicking the design of a photocatalytic reactor, with light introduced from above through quartzglass . Owing to the intermittent nature of solar irradiance, electron storage mechanisms within materials need to be investigated to enable reactions to continue in the absence of light.
The practical applications of photothermal catalytic oxidation of VOCs also focus on harnessing outdoor natural sunlight . An all-quartz reactor was used outdoors for gas pollutant degradation under natural sunlight. Complete VOC conversion was achieved using a condenser lens under midday sunlight, although sensitivity to cloud cover was observed . The development of photothermal catalytic systems under natural sunlight decreases the need for thermal sources (electrical energy supply) and thus reduces the overall cost .
Furthermore, in practical applications, various VOCs might be present in complex environments, such as high temperature ( ) and high humidity ( ) conditions . The combination of photothermal catalysis with multiple technologies demonstrates an effective way to further improve the efficiency of VOC elimination . Combining photo-assisted catalytic technology with established adsorption, catalytic oxidation or plasma technologies might improve overall removal efficiencies while mitigating secondary pollution .
For real-world application of photo-assisted technologies for air purification, their sustainability should be assessed considering environmental, economic and social dimensions . Traditional thermal catalysis relies on electric heating systems to raise the temperature of the entire system , leading to energy waste and low efficiency of heat utilization . By contrast, photothermal catalytic
VOC oxidation achieves precise local heating of active sites of catalysts with high heat utilization efficiency at lower reaction temperatures (room temperature to . This method shows a similar or superior pollutant mineralization and is expected to reduce carbon deposition by-products compared with the conventional thermal catalytic oxidation process .
Like most chemical engineering systems, photo-assisted thermal catalytic oxidation of VOCs involves initial device costs (reactor construction and installation, catalyst preparation and startup expenses), operating costs (running and maintaining) and life-cycle costs . The main cost can be attributed to the construction of the catalytic reaction system . For photo-assisted air purification, a critical challenge is selecting catalysts with optimal spectral absorption characteristics and catalytic active components that have good photothermal activity, high stability and low cost . When sunlight is the sole energy source, optimizing its utilization for powering reactions is required. Dependence on solar irradiance reduces electricity consumption, and over time the cost savings from harnessing light energy can offset the initial investment in the device .
Despite the various advantages of photo-assisted thermal technologies, their development faces some challenges. Photo-assisted thermal catalytic reactions involve both photochemical and thermochemical processes, complicating the differentiation between the roles and quantities of photoelectrons and hot electrons . Conventional thermocouple-based temperature measurement methods provide insights only into the overall temperature of the catalytic bed, failing to capture the nuanced local temperature variations of nanoparticles . Additionally, VOC oxidation reactions typically involve exothermic processes, and localized temperature spikes can induce structural alterations in the catalyst, diminishing removal efficiency, promoting undesired reduction reactions, and generating by-products . Catalyst deactivation due to carbon deposition – a common issue in VOC oxidation reactions – also affects photothermal catalytic processes . Assessments of VOC catalytic reactions often overlook the introduction of contaminants such as sulfur or chlorine, which are prevalent in actual operational environments and typically involve single-component reactants . Consequently, the potential impact of sulfur, chlorine and composite pollutants (such as the mixture of benzene, toluene and chlorobenzene) on photothermal catalyst performance remains uncertain. Furthermore, given the predominantly unidirectional illumination of the catalyst bed, research on designing photothermal catalytic reactors and optimizing the catalyst stacking configuration to enhance light energy absorption is still lacking. Photothermal catalytic air purification remains predominantly at the laboratory scale. Enhancing our understanding of these aspects is vital for the successful implementation of photothermal catalytic technologies in real-world applications.

Summary and future perspectives

Photo-assisted technologies can be used to eliminate organic pollutants in water and air. By harnessing the power of solar energy, pollutant removal efficiency can be enhanced along with reduced energy consumption. Despite progress, there are still challenges to the large-scale application of these photo-assisted technologies for environmental remediation, such as limited efficiency of light utilization.
During wastewater treatment, the impurities in water can absorb or reflect light, which reduces the interaction between light and catalytic materials or oxidants such as and , thus diminishing the efficiency of photo-assisted AOPs. To address this challenge, designing
reactors that minimize the need for deep light penetration, such as flat reactors, can enhance the effectiveness of photo-assisted technologies. Additionally, it is important to design advanced catalytic materials with high light absorption efficiency to use low-energy photons, such as visible or infrared light. Enhanced light absorption can be achieved through several strategies: selecting narrow-bandgap catalysts, introducing dopants or defects to create mid-gap states that narrow the bandgap of semiconductors, coating catalysts with substances that show localized surface plasmon resonance effects (such as plasmonic materials or carbon-based materials), using dye-sensitizers or quantum dots, integrating up-conversion materials to convert infrared light into UV or visible light, and creating nanostructured materials (such as nanorods, nanowires, photonic crystal structures and surface texturing). Improving light absorption will benefit the generation of ROS and increase the degradation efficiency. For air purification in office buildings, factories and homes, developing catalysts capable of harnessing indoor light could offer a pathway towards the practical implementation of photo-assisted technology for air purification systems .
The economic analysis of photo-assisted technologies has often been overlooked. Much of the existing research has been focused on operational expenses and energy consumption, such as the light sources, which are generally lower for photo-assisted technologies compared with traditional methods . However, traditional methods benefit from established infrastructure and are easier to scale up , whereas the initial capital costs for implementing light-assisted technologies – including investments in photoreactors, light sources, catalysts and associated infrastructure – are seldom considered. High-quality light sources, effective and stable catalysts, and well-designed photoreactors are essential for achieving high environmental remediation efficiency . Combining photo-assisted technologies with other wastewater treatment systems could reduce system costs. For instance, the total energy consumption associated with a solar photoelectro-Fenton process for the removal of organic pollutants in anaerobic digestion is US$1.4 per hour at current densities of , which is approximately one-tenth of the energy cost for a conventional activated sludge process (US per hour). Similarly, combining photo-Fenton or ozonation with a membrane system could reduce the operating costs of the oxidation process due to the decrease of the total treatment volume . Therefore, integrating these technologies with existing systems shows potential for cost reduction and improved efficiency, potentially making them a viable option for large-scale environmental remediation.
Many of these technologies rely on catalysts made from rare or expensive materials such as noble metals. The extraction, processing and disposal of these materials can have a substantial environmental impact. Catalysts should be both economical and stable in the long term, and able to withstand prolonged exposure to light and contaminants without degrading. To enhance the sustainability of these processes, the development of new reaction systems is also essential. For instance, dual-functional photo(electro)catalytic processes that enable wastewater treatment while simultaneously recovering energy, such as by producing and , could be a strategy for the next-generation of photo-assisted water-treatment technologies . A comprehensive life-cycle assessment – evaluating the entire process, from raw material extraction to end-of-life disposal – is crucial to verify the sustainability of these technologies. Such assessments are still lacking in the photo-assisted technologies field.
Published online: 4 March 2025

References

  1. Shannon, M. A. et al. Science and technology for water purification in the coming decades. Nature 452, 301-310 (2008).
  2. Lin, J. et al. Environmental impacts and remediation of dye-containing wastewater. Nat. Rev. Earth Environ. 4, 785-803 (2023).
  3. Wei, S. et al. Self-carbon-thermal-reduction strategy for boosting the Fenton-like activity of single sites by carbon-defect engineering. Nat. Commun. 14, 7549 (2023).
  4. Hodges, B. C., Cates, E. L. & Kim, J.-H. Challenges and prospects of advanced oxidation water treatment processes using catalytic nanomaterials. Nat. Nanotechnol. 13, 642-650 (2018).
  5. He, F., Jeon, W. & Choi, W. Photocatalytic air purification mimicking the self-cleaning process of the atmosphere. Nat. Commun. 12, 2528 (2021).
  6. Weon, S., He, F. & Choi, W. Status and challenges in photocatalytic nanotechnology for cleaning air polluted with volatile organic compounds: visible light utilization and catalyst deactivation. Environ. Sci. Nano 6, 3185-3214 (2019).
  7. Khin, M. M., Nair, A. S., Babu, V. J., Murugan, R. & Ramakrishna, S. A review on nanomaterials for environmental remediation. Energy Environ. Sci. 5, 8075-8109 (2012).
  8. Zheng, L. et al. Mixed scaling patterns and mechanisms of high-pressure nanofiltration in hypersaline wastewater desalination. Water Res. 250, 121023 (2024).
  9. Yang, X., Sun, H., Li, G., An, T. & Choi, W. Fouling of TiO induced by natural organic matters during photocatalytic water treatment: mechanisms and regeneration strategy. Appl. Catal. B 294, 120252 (2021).
  10. Le, N. T. H. et al. Freezing-enhanced non-radical oxidation of organic pollutants by peroxymonosulfate. Chem. Eng. J. 388, 124226 (2020).
  11. Weng, B., Lu, K.-Q., Tang, Z., Chen, H. M. & Xu, Y.-J. Stabilizing ultrasmall Au clusters for enhanced photoredox catalysis. Nat. Commun. 9, 1543 (2018).
  12. Su, Y. et al. Unveiling the function of oxygen vacancy on facet-dependent for the catalytic destruction of monochloromethane: guidance for industrial catalyst design. Environ. Sci. Technol. 58, 8086-8095 (2024).
  13. Su, Y. et al. Surface-phosphorylated ceria for chlorine-tolerance catalysis. Environ. Sci. Technol. 58, 1369-1377 (2024).
  14. Yuan, X. et al. Anti-poisoning mechanisms of Sb on vanadia-based catalysts for NOx and chlorobenzene multi-pollutant control. Environ. Sci. Technol. 57, 10211-10220 (2023).
  15. Su, Z. et al. Probing the actual role and activity of oxygen vacancies in toluene catalytic oxidation: evidence from in situ XPS/NEXAFS and DFT + U calculation. ACS Catal. 13, 3444-3455 (2023).
  16. Wang, B., Song, Z. & Sun, L. A review: comparison of multi-air-pollutant removal by advanced oxidation processes – industrial implementation for catalytic oxidation processes. Chem. Eng. J. 409, 128136 (2021).
  17. Adeleye, A. S. et al. Engineered nanomaterials for water treatment and remediation: costs, benefits, and applicability. Chem. Eng. J. 286, 640-662 (2016).
  18. Brillas, E. Solar photoelectro-Fenton: a very effective and cost-efficient electrochemical advanced oxidation process for the removal of organic pollutants from synthetic and real wastewaters. Chemosphere 327, 138532 (2023).
  19. Wang, D., Junker, A. L., Sillanpää, M., Jiang, Y. & Wei, Z. Photo-based advanced oxidation processes for zero pollution: where are we now? Engineering 23, 19-23 (2023).
  20. Dey, A. K., Mishra, S. R. & Ahmaruzzaman, M. Solar light-based advanced oxidation processes for degradation of methylene blue dye using novel Zn-modified CeO2@ biochar. Environ. Sci. Pollut. Res. 30, 53887-53903 (2023).
  21. Su, L., Wang, P., Ma, X., Wang, J. & Zhan, S. Regulating local electron density of iron single sites by introducing nitrogen vacancies for efficient photo-Fenton process. Angew. Chem. Int. Ed. 60, 21261-21266 (2021).
  22. Yang, Q. et al. Recent advances in photo-activated sulfate radical-advanced oxidation process (SR-AOP) for refractory organic pollutants removal in water. Chem. Eng. J. 378, 122149 (2019).
  23. Yang, J., Zhu, M. & Dionysiou, D. D. What is the role of light in persulfate-based advanced oxidation for water treatment? Water Res. 189, 116627 (2021).
  24. Weng, B., Qi, M.-Y., Han, C., Tang, Z.-R. & Xu, Y.-J. Photocorrosion inhibition of semiconductor-based photocatalysts: basic principle, current development, and future perspective. ACS Catal. 9, 4642-4687(2019).
  25. Zhou, Q., Chen, Q., Tong, Y. & Wang, J. Light-induced ambient degradation of few-layer black phosphorus: mechanism and protection. Angew. Chem. Int. Ed. 55, 11437-11441 (2016).
  26. Bi, Z. et al. The generation and transformation mechanisms of reactive oxygen species in the environment and their implications for pollution control processes: a review. Environ. Res. 260, 119592 (2024).
  27. Chen, M. et al. Synthesis of carbon quantum dots decorating microspherical heterostructure and its efficient photocatalytic degradation of antibiotic norfloxacin. Chin. Chem. Lett. 35, 109336 (2024).
  28. Oh, V. B.-Y., Ng, S.-F. & Ong, W.-J. Is photocatalytic hydrogen production sustainable? Assessing the potential environmental enhancement of photocatalytic technology against steam methane reforming and electrocatalysis. J. Clean. Prod. 379, 134673 (2022).
  29. Wu, F., Zhou, Z. & Hicks, A. L. Life cycle impact of titanium dioxide nanoparticle synthesis through physical, chemical, and biological routes. Environ. Sci. Technol. 53, 4078-4087 (2019).
  30. Zhang, X. et al. Nanoconfinement-triggered oligomerization pathway for efficient removal of phenolic pollutants via a Fenton-like reaction. Nat. Commun. 15, 917 (2024).
  31. Ghanbarzadeh Lak, M., Sabour, M. R., Ghafari, E. & Amiri, A. Energy consumption and relative efficiency improvement of photo-Fenton – optimization by RSM for landfill leachate treatment, a case study. Waste Manage 79, 58-70 (2018).
  32. Barndõk, H., Blanco, L., Hermosilla, D. & Blanco, Á. Heterogeneous photo-Fenton processes using zero valent iron microspheres for the treatment of wastewaters contaminated with 1,4-dioxane. Chem. Eng. J. 284, 112-121 (2016).
  33. Santos, L. V. de S., Meireles, A. M. & Lange, L. C. Degradation of antibiotics norfloxacin by Fenton, UV and UV/ . J. Environ. Manage. 154, 8-12 (2015).
  34. Kang, W. et al. Photocatalytic ozonation of organic pollutants in wastewater using a flowing through reactor. J. Hazard. Mater. 405, 124277 (2021).
  35. Khaleel, G. F., Ismail, I. & Abbar, A. H. Application of solar photo-electro-Fenton technology to petroleum refinery wastewater degradation: optimization of operational parameters. Heliyon 9, e15062 (2023).
  36. Anipsitakis, G. P. & Dionysiou, D. D. Radical generation by the interaction of transition metals with common oxidants. Environ. Sci. Technol. 38, 3705-3712 (2004).
  37. De Laat, J. & Gallard, H. Catalytic decomposition of hydrogen peroxide by Fe(III) in homogeneous aqueous solution: mechanism and kinetic modeling. Environ. Sci. Technol. 33, 2726-2732 (1999).
  38. Feng, W. & Nansheng, D. Photochemistry of hydrolytic iron(III) species and photoinduced degradation of organic compounds. A minireview. Chemosphere 41, 1137-1147 (2000).
  39. Sun, M. et al. New insights into photo-Fenton chemistry: the overlooked role of excited iron” species. Environ. Sci. Technol. 58, 10817-10827 (2024).
  40. Yang, X.-j., Xu, X.-m., Xu, J. & Han, Y.-f. Iron oxychloride (FeOCl): an efficient Fenton-like catalyst for producing hydroxyl radicals in degradation of organic contaminants. J. Am. Chem. Soc. 135, 16058-16061 (2013).
  41. Li, M. et al. Iron-organic frameworks as effective Fenton-like catalysts for peroxymonosulfate decomposition in advanced oxidation processes. npj Clean Water 6, 37 (2023).
  42. Wang, Y. et al. Comparison of Fenton, UV-Fenton and nano- catalyzed UV-Fenton in degradation of phloroglucinol under neutral and alkaline conditions: role of complexation of with hydroxyl group in phloroglucinol. Chem. Eng. J. 313, 938-945 (2017).
  43. Zheng, J., Li, Y. & Zhang, S. Engineered nanoconfinement activates Fenton catalyst at neutral pH: mechanism and kinetics study. Appl. Catal. B 343, 123555 (2024).
  44. Clarizia, L., Russo, D., Di Somma, I., Marotta, R. & Andreozzi, R. Homogeneous photo-Fenton processes at near neutral pH: a review. Appl. Catal. B 209, 358-371 (2017).
  45. Zhu, Y. et al. Strategies for enhancing the heterogeneous Fenton catalytic reactivity: a review. Appl. Catal. B 255, 117739 (2019).
  46. Brillas, E. Fenton, photo-Fenton, electro-Fenton, and their combined treatments for the removal of insecticides from waters and soils. A review. Sep. Purif. Technol. 284, 120290 (2022).
  47. Heidari, Z., Pelalak, R. & Zhou, M. A critical review on the recent progress in application of electro-Fenton process for decontamination of wastewater at near-neutral pH . Chem. Eng. J. 474, 145741 (2023).
  48. Ahile, U. J., Wuana, R. A., Itodo, A. U., Sha’Ato, R. & Dantas, R. F. A review on the use of chelating agents as an alternative to promote photo-Fenton at neutral pH: current trends, knowledge gap and future studies. Sci. Total Environ. 710, 134872 (2020).
  49. Vallés, I. et al. On the relevant role of iron complexation for the performance of photo-Fenton process at mild pH: role of ring substitution in phenolic ligand and interaction with halides. Appl. Catal. B 331, 122708 (2023).
  50. Li, W.-Q. et al. Boosting photo-Fenton process enabled by ligand-to-cluster charge transfer excitations in iron-based metal organic framework. Appl. Catal. B 302, 120882 (2022).
  51. Rodríguez, M., Bussi, J. & Andrea De León, M. Application of pillared raw clay-base catalysts and natural solar radiation for water decontamination by the photo-Fenton process. Sep. Purif. Technol. 259, 118167 (2021).
  52. Wu, Q. et al. Visible-light-driven iron-based heterogeneous photo-Fenton catalysts for wastewater decontamination: a review of recent advances. Chemosphere 313, 137509 (2023).
  53. Deng, G. et al. Ferryl ion in the photo-Fenton process at acidic pH: occurrence, fate, and implications. Environ. Sci. Technol. 57, 18586-18596 (2023).
  54. Gao, X. et al. New insight into the mechanism of symmetry-breaking charge separation induced high-valent iron(IV) for highly efficient photodegradation of organic pollutants. Appl. Catal. B 321, 122066 (2023).
  55. Jiang, J. et al. Spin state-dependent in-situ photo-Fenton-like transformation from oxygen molecule towards singlet oxygen for selective water decontamination. Water Res. 244, 120502 (2023).
  56. Lian, Z. et al. Photo-self-Fenton reaction mediated by atomically dispersed photocatalysts toward efficient degradation of organic pollutants. Angew. Chem. Int. Ed. 63, e202318927 (2024).
  57. Ciggin, A. S., Sarica, E. S., Doğruel, S. & Orhon, D. Impact of ultrasonic pretreatment on Fenton-based oxidation of olive mill wastewater – towards a sustainable treatment scheme. J. Clean. Prod. 313, 127948 (2021).
  58. Ahmed, Y., Zhong, J., Yuan, Z. & Guo, J. Roles of reactive oxygen species in antibiotic resistant bacteria inactivation and micropollutant degradation in Fenton and photo-Fenton processes. J. Hazard. Mater. 430, 128408 (2022).
  59. Li, Y. & Cheng, H. Autocatalytic effect of in situ formed (hydro)quinone intermediates in Fenton and photo-Fenton degradation of non-phenolic aromatic pollutants and chemical kinetic modeling. Chem. Eng. J. 449, 137812 (2022).
  60. Zhou, Y., Yu, M., Zhang, Q., Sun, X. & Niu, J. Regulating electron distribution of Fe/Ni- single sites for efficient photo-Fenton process. J. Hazard. Mater. 440, 129724 (2022).
  61. Gualda-Alonso, E. et al. Continuous solar photo-Fenton for wastewater reclamation in operational environment at demonstration scale. J. Hazard. Mater. 459, 132101 (2023).
  62. Silva, T. F. C. V., Fonseca, A., Saraiva, I., Boaventura, R. A. R. & Vilar, V. J. P. Scale-up and cost analysis of a photo-Fenton system for sanitary landfill leachate treatment. Chem. Eng. J. 283, 76-88 (2016).
  63. Miklos, D. B. et al. Evaluation of advanced oxidation processes for water and wastewater treatment – a critical review. Water Res. 139, 118-131 (2018).
  64. Gualda-Alonso, E. et al. Large-scale raceway pond reactor for CEC removal from municipal WWTP effluents by solar photo-Fenton. Appl. Catal. B 319, 121908 (2022).
  65. Gualda-Alonso, E., Soriano-Molina, P., García Sánchez, J. L., Casas López, J. L. & Sánchez Pérez, J. A. Mechanistic modeling of solar photo-Fenton with -NTA for microcontaminant removal. Appl. Catal. B 318, 121795 (2022).
  66. Duan, X., Sun, H. & Wang, S. Metal-free carbocatalysis in advanced oxidation reactions. Acc. Chem. Res. 51, 678-687 (2018).
  67. Han, B. et al. Microenvironment engineering of single-atom catalysts for persulfate-based advanced oxidation processes. Chem. Eng. J. 447, 137551 (2022).
  68. Lee, J., von Gunten, U. & Kim, J.-H. Persulfate-based advanced oxidation: critical assessment of opportunities and roadblocks. Environ. Sci. Technol. 54, 3064-3081 (2020).
  69. Zhang, S., Zheng, H. & Tratnyek, P. G. Advanced redox processes for sustainable water treatment. Nat. Water 1, 666-681(2023).
  70. Guo, R. et al. Catalytic degradation of lomefloxacin by photo-assisted persulfate activation on natural hematite: performance and mechanism. Chin. Chem. Lett. 33, 3809-3817 (2022).
  71. He, S., Chen, Y., Li, X., Zeng, L. & Zhu, M. Heterogeneous photocatalytic activation of persulfate for the removal of organic contaminants in water: a critical review. ACS EST. Eng 2, 527-546 (2022).
  72. Zhang, Y.-J. et al. Simultaneous nanocatalytic surface activation of pollutants and oxidants for highly efficient water decontamination. Nat. Commun. 13, 3005 (2022).
  73. Yin, R. et al. Near-infrared light to heat conversion in peroxydisulfate activation with : a new photo-activation process for water treatment. Water Res. 190, 116720 (2021).
  74. Weng, Z. et al. Site engineering of covalent organic frameworks for regulating peroxymonosulfate activation to generate singlet oxygen with selectivity. Angew. Chem. Int. Ed. 62, e202310934 (2023).
  75. Yan, Y. et al. Merits and limitations of radical vs. nonradical pathways in persulfate-based advanced oxidation processes. Environ. Sci. Technol. 57, 12153-12179 (2023).
  76. Gan, P. et al. The degradation of municipal solid waste incineration leachate by UV/persulfate and UV/ processes: the different selectivity of and . Chemosphere 311, 137009 (2023).
  77. Guerra-Rodríguez, S. et al. Pilot-scale sulfate radical-based advanced oxidation for wastewater reuse: simultaneous disinfection, removal of contaminants of emerging concern, and antibiotic resistance genes. Chem. Eng. J. 477, 146916 (2023).
  78. Wang, Y., Duan, X., Xie, Y., Sun, H. & Wang, S. Nanocarbon-based catalytic ozonation for aqueous oxidation: engineering defects for active sites and tunable reaction pathways. ACS Catal. 10, 13383-13414 (2020).
  79. Mundy, B. et al. A review of ozone systems costs for municipal applications. Report by the municipal committee – IOA Pan American group. Ozone Sci. Eng. 40, 266-274 (2018).
  80. Zhou, H. & Smith, D. W. Ozone mass transfer in water and wastewater treatment: experimental observations using a 2D laser particle dynamics analyzer. Water Res. 34, 909-921 (2000).
  81. Lu, J. et al. Efficient mineralization of aqueous antibiotics by simultaneous catalytic ozonation and photocatalysis using as a bifunctional catalyst. Chem. Eng. J. 358, 48-57 (2019).
  82. Bessegato, G. G., Cardoso, J. C., da Silva, B. F. & Zanoni, M. V. B. Combination of photoelectrocatalysis and ozonation: a novel and powerful approach applied in Acid Yellow 1 mineralization. Appl. Catal. B 180, 161-168 (2016).
  83. Mehrjouei, M., Müller, S. & Möller, D. A review on photocatalytic ozonation used for the treatment of water and wastewater. Chem. Eng. J. 263, 209-219 (2015).
  84. Beltrán, F. J., Aguinaco, A., García-Araya, J. F. & Oropesa, A. Ozone and photocatalytic processes to remove the antibiotic sulfamethoxazole from water. Water Res. 42, 3799-3808 (2008).
  85. Yu, D., Li, L., Wu, M. & Crittenden, J. C. Enhanced photocatalytic ozonation of organic pollutants using an iron-based metal-organic framework. Appl. Catal. B 251, 66-75 (2019).
  86. Xiao, J., Xie, Y., Rabeah, J., Brückner, A. & Cao, H. Visible-light photocatalytic ozonation using graphitic catalysts: a hydroxyl radical manufacturer for wastewater treatment. Acc. Chem. Res. 53, 1024-1033 (2020).
  87. Xiao, J. et al. Is chemically stable toward reactive oxygen species in sunlight-driven water treatment? Environ. Sci. Technol. 51, 13380-13387(2017).
  88. Lincho, J., Zaleska-Medynska, A., Martins, R. C. & Gomes, J. Nanostructured photocatalysts for the abatement of contaminants by photocatalysis and photocatalytic ozonation: an overview. Sci. Total Environ. 837, 155776 (2022).
  89. Ye, M., Chen, Z., Liu, X., Ben, Y. & Shen, J. Ozone enhanced activity of aqueous titanium dioxide suspensions for photodegradation of 4-chloronitrobenzene. J. Hazard. Mater. 167, 1021-1027 (2009).
  90. Andreozzi, R., Caprio, V., Insola, A. & Marotta, R. Advanced oxidation processes (AOP) for water purification and recovery. Catal. Today 53, 51-59 (1999).
  91. Mecha, A. C., Onyango, M. S., Ochieng, A. & Momba, M. N. B. Ultraviolet and solar photocatalytic ozonation of municipal wastewater: catalyst reuse, energy requirements and toxicity assessment. Chemosphere 186, 669-676 (2017).

Review article

  1. Mehrjouei, M., Müller, S. & Möller, D. Energy consumption of three different advanced oxidation methods for water treatment: a cost-effectiveness study. J. Clean. Prod. 65, 178-183 (2014).
  2. Mecha, A. C., Onyango, M. S., Ochieng, A., Fourie, C. J. S. & Momba, M. N. B. Synergistic effect of UV-vis and solar photocatalytic ozonation on the degradation of phenol in municipal wastewater: a comparative study. J. Catal. 341, 116-125 (2016).
  3. Moreira, F. C., Boaventura, R. A. R., Brillas, E. & Vilar, V. J. P. Electrochemical advanced oxidation processes: a review on their application to synthetic and real wastewaters. Appl. Catal. B 202, 217-261 (2017).
  4. Pandey, A. K. et al. Utilization of solar energy for wastewater treatment: challenges and progressive research trends. J. Environ. Manage. 297, 113300 (2021).
  5. Pham, C. V., Escalera-López, D., Mayrhofer, K., Cherevko, S. & Thiele, S. Essentials of high performance water electrolyzers – from catalyst layer materials to electrode engineering. Adv. Energy Mater. 11, 2101998 (2021).
  6. Valero, D., García-García, V., Expósito, E., Aldaz, A. & Montiel, V. Electrochemical treatment of wastewater from almond industry using DSA-type anodes: direct connection to a PV generator. Sep. Purif. Technol. 123, 15-22 (2014).
  7. Huang, Y. et al. The efficient abatement of contaminants of emerging concern by LED-UV electrochemical chlorine for wastewater reuse: kinetics, degradation pathways, and cytotoxicity. Chem. Eng. J. 480, 148032 (2024).
  8. Otter, P. et al. Economic evaluation of water supply systems operated with solar-driven electro-chlorination in rural regions in Nepal, Egypt and Tanzania. Water Res. 187, 116384 (2020).
  9. Koiki, B. A. et al. Sulfate radical in (photo)electrochemical advanced oxidation processes for water treatment: a versatile approach. J. Phys. Chem. Lett. 14, 8880-8889 (2023).
  10. Son, A. et al. Persulfate enhanced photoelectrochemical oxidation of organic pollutants using self-doped nanotube arrays: effect of operating parameters and water matrix. Water Res. 191, 116803 (2021).
  11. García-Espinoza, J. D., Robles, I., Durán-Moreno, A. & Godínez, L. A. Photo-assisted electrochemical advanced oxidation processes for the disinfection of aqueous solutions: a review. Chemosphere 274, 129957 (2021).
  12. Vanags, M. et al. Sol-gel auto-combustion synthesis of brownmillerite nanopowders and thin films for advanced oxidation photoelectrochemical water treatment in visible light. J. Environ. Chem. Eng. 7, 103224 (2019).
  13. Yao, T., An, X., Han, H., Chen, J. Q. & Li, C. Photoelectrocatalytic materials for solar water splitting. Adv. Energy Mater. 8, 1800210 (2018).
  14. Lu, S. & Zhang, G. Recent advances on inactivation of waterborne pathogenic microorganisms by (photo) electrochemical oxidation processes: design and application strategies. J. Hazard. Mater. 431, 128619 (2022).
  15. Fekadu, S. et al. Treatment of healthcare wastewater using the peroxiphotoelectrocoagulation process: predictive models for COD, color removal and electrical energy consumption. J. Water Process Eng. 41, 102068 (2021).
  16. Rengifo-Herrera, J. A. & Pulgarin, C. Why five decades of massive research on heterogeneous photocatalysis, especially on , has not yet driven to water disinfection and detoxification applications? Critical review of drawbacks and challenges. Chem. Eng. J. 477, 146875 (2023).
  17. Zeng, J. et al. Nanomaterials enabled photoelectrocatalysis for removing pollutants in the environment and food. Trends Analyt. Chem. 166, 117187 (2023).
  18. Song, Y., Zhang, J.-Y., Yang, J., Bo, T. & Ma, J.-F. Highly efficient photoelectrocatalytic oxidation of arsenic(III) with a polyoxometalate-thiacalix[4]arene-based metal-organic complex-modified bismuth vanadate photoanode. Green Chem. 26, 3874-3883 (2024).
  19. Jiao, Y., Ma, L., Tian, Y. & Zhou, M. A flow-through electro-Fenton process using modified activated carbon fiber cathode for orange II removal. Chemosphere 252, 126483 (2020).
  20. Zhou, W. et al. Rates of electrogeneration by reduction of anodic at RVC foam cathodes in batch and flow-through cells. Electrochim. Acta 277, 185-196 (2018).
  21. Dang, Q. et al. Bias-free driven ion assisted photoelectrochemical system for sustainable wastewater treatment. Nat. Commun. 14, 8413 (2023).
  22. Divyapriya, G. et al. Treatment of real wastewater by photoelectrochemical methods: an overview. Chemosphere 276, 130188 (2021).
  23. Tedesco, G. C. & Moraes, P. B. Innovative design of a continuous flow photoelectrochemical reactor: hydraulic design, CFD simulation and prototyping. J. Environ. Chem. Eng. 9, 105917 (2021).
  24. Tao, Y. et al. Near-infrared-driven photoelectrocatalytic oxidation of urea on La-Ni-based perovskites. Chem. Eng. J. 446, 137240 (2022).
  25. Vivar, M., Skryabin, I., Everett, V. & Blakers, A. A concept for a hybrid solar water purification and photovoltaic system. Sol. Energy Mater. Sol. Cell 94, 1772-1782 (2010).
  26. Sboui, M. et al. Fabrication of electrically conductive composite membranes for simultaneous photoelectrocatalysis and microfiltration of azo dye from wastewater. Appl. Catal. A 644, 118837 (2022).
  27. Garg, R. et al. Sputtering thin films: materials, applications, challenges and future directions. Adv. Colloid Interface Sci. 330, 103203 (2024).
  28. Noked, M. et al. Electrochemical thin layers in nanostructures for energy storage. Acc. Chem. Res. 49, 2336-2346 (2016).
  29. Jeon, T. H., Koo, M. S., Kim, H. & Choi, W. Dual-functional photocatalytic and photoelectrocatalytic systems for energy- and resource-recovering water treatment. ACS Catal. 8, 11542-11563 (2018).
  30. Garza-Campos, B. et al. Salicylic acid degradation by advanced oxidation processes. Coupling of solar photoelectro-Fenton and solar heterogeneous photocatalysis. J. Hazard. Mater. 319, 34-42 (2016).
  31. Wang, Y. et al. Efficient photo-electro-Fenton catalysis of perfluorooctanoic acid with MOFs based 2D CoFe nanosheets: oxygen vacancy-mediated adsorption and mineralization ability. Chem. Eng. J. 483, 149385 (2024).
  32. Marinho, B. A. et al. Photocatalytic, electrocatalytic and photoelectrocatalytic degradation of pharmaceuticals in aqueous media: analytical methods, mechanisms, simulations, catalysts and reactors. J. Clean. Prod. 343, 131061 (2022).
  33. Zheng, J., Zhang, P., Li, X., Ge, L. & Niu, J. Insight into typical photo-assisted AOPs for the degradation of antibiotic micropollutants: mechanisms and research gaps. Chemosphere 343, 140211 (2023).
  34. Braham, R. J. & Harris, A. T. Review of major design and scale-up considerations for solar photocatalytic reactors. Ind. Eng. Chem. Res. 48, 8890-8905 (2009).
  35. Salazar, L. M., Grisales, C. M. & Garcia, D. P. How does intensification influence the operational and environmental performance of photo-Fenton processes at acidic and circumneutral pH. Environ. Sci. Pollut. Res. 26, 4367-4380 (2019).
  36. Meng, T., Sun, W., Su, X. & Sun, P. The optimal dose of oxidants in UV-based advanced oxidation processes with respect to primary radical concentrations. Water Res. 206, 117738 (2021).
  37. Xu, S.-L. et al. Expanding the pH range of Fenton-like reactions for pollutant degradation: the impact of acidic microenvironments. Water Res. 270, 122851 (2025).
  38. Wang, Y. et al. Enhanced orange II removal using -LDH activated peroxymonosulfate: synergistic radical oxidation and adsorption. Catalysts 14, 380 (2024).
  39. Binjhade, R., Mondal, R. & Mondal, S. Continuous photocatalytic reactor: critical review on the design and performance. J. Environ. Chem. Eng. 10, 107746 (2022).
  40. Grčić, I. & Li Puma, G. Six-flux absorption-scattering models for photocatalysis under wide-spectrum irradiation sources in annular and flat reactors using catalysts with different optical properties. Appl. Catal. B 211, 222-234 (2017).
  41. Wu, Z. et al. In situ infared optical fiber sensor monitoring reactants and products changes during photocatalytic reaction. Anal. Chem. 97, 1229-1235 (2025).
  42. Li, S., Lin, Y., Liu, G. & Shi, C. Research status of volatile organic compound (VOC) removal technology and prospect of new strategies: a review. Environ. Sci. Process. Impacts 25, 727-740 (2023).
  43. He, C. et al. Recent advances in the catalytic oxidation of volatile organic compounds: a review based on pollutant sorts and sources. Chem. Rev. 119, 4471-4568 (2019).
  44. Zhang, K. et al. Research progress of a composite metal oxide catalyst for VOC degradation. Environ. Sci. Technol. 56, 9220-9236 (2022).
  45. Yang, Y. et al. Recent advancement and future challenges of photothermal catalysis for VOCs elimination: from catalyst design to applications. Green Energy Env. 8, 654-672 (2023).
  46. Jiang, C. et al. Modifying defect states in by Fe doping: a strategy for low-temperature catalytic oxidation of toluene with sunlight. J. Hazard. Mater. 390, 122182 (2020).
  47. Sun, P. et al. Efficiently photothermal conversion in a MnOx -based monolithic photothermocatalyst for gaseous formaldehyde elimination. Chin. Chem. Lett. 33, 2564-2568 (2022).
  48. Shan, C. et al. Recent advances of VOCs catalytic oxidation over spinel oxides: catalyst design and reaction mechanism. Environ. Sci. Technol. 57, 9495-9514 (2023).
  49. Li, J.-J. et al. Efficient infrared light promoted degradation of volatile organic compounds over photo-thermal responsive composites. Appl. Catal. B 233, 260-271 (2018).
  50. Hong, J. et al. Photothermal chemistry based on solar energy: from synergistic effects to practical applications. Adv. Sci. 9, 2103926 (2022).
  51. Ren, Y. et al. Concentrated solar reduction in vapour with energy conversion efficiency. Nat. Commun. 15, 4675 (2024).
  52. Li, J., Lv, X., Weng, B., Roeffaers, M. B. J. & Jia, H. Engineering light propagation for synergetic photo- and thermocatalysis toward volatile organic compounds elimination. Chem. Eng. J. 461, 142022 (2023).
  53. Kennedy, J. C. & Datye, A. K. Photothermal heterogeneous oxidation of ethanol over . J. Catal. 179, 375-389 (1998).
  54. Zhang, M. et al. In situ construction of manganese oxide photothermocatalysts for the deep removal of toluene by highly utilizing sunlight energy. Environ. Sci. Technol. 57, 4286-4297 (2023).
  55. Ma, J., Wang, J. & Dang, Y. Photo-assisted oxidation of gaseous benzene on tungsten-doped at lower temperature. Chem. Eng. J. 388, 124387 (2020).
  56. Yu, X., Zhao, C., Yang, L., Zhang, J. & Chen, C. Photothermal catalytic oxidation of toluene over the nanocomposite catalyst. EES Catal. 2, 811-822 (2024).
  57. Wu, P., Jin, X., Qiu, Y. & Ye, D. Recent progress of thermocatalytic and photo/thermocatalytic oxidation for VOCs purification over manganese-based oxide catalysts. Environ. Sci. Technol. 55, 4268-4286 (2021).
  58. Mateo, D., Cerrillo, J. L., Durini, S. & Gascon, J. Fundamentals and applications of photo-thermal catalysis. Chem. Soc. Rev. 50, 2173-2210 (2021).
  59. Agbovhimen Elimian, E., Zhang, M., Sun, Y., He, J. & Jia, H. Harnessing solar energy towards synergistic photothermal catalytic oxidation of volatile organic compounds. Sol. RRL 7, 2300238 (2023).
  60. Shan, C. et al. Acid etching-induced in situ growth of over CoMn spinel for low-temperature volatile organic compound oxidation. Environ. Sci. Technol. 56, 10381-10390 (2022).
  61. Ma, Y. et al. Understanding the different roles of adsorbed oxygen and lattice oxygen species in the distinct catalytic performance of metal oxides for o-xylene oxidation. ACS Catal. 14, 16624-16638 (2024).
  62. Wang, H. et al. Boosting photothermocatalytic oxidation of toluene over : the gear effect of light and heat. Environ. Sci. Technol. 58, 7662-7671 (2024).
  63. Wang, X. et al. Electro-assisted photothermal synergy for removal of volatile organic compounds over Au single atoms anchored nanotubes. Appl. Catal. B 358, 124338 (2024).
  64. Ren, L., Yang, X., Sun, X. & Yuan, Y. Synchronizing efficient purification of VOCs in durable solar water evaporation over a highly stable graphene material. Nano Lett. 24, 715-723 (2024).
  65. Cui, X. et al. Photothermal nanomaterials: a powerful light-to-heat converter. Chem. Rev. 123, 6891-6952 (2023).
  66. Li, Y. et al. Efficient photothermal catalytic oxidation enabled by three-dimensional nanochannel substrates. Environ. Sci. Technol. 58, 5153-5161 (2024).
  67. Leung, S.-F. et al. Efficient photon capturing with ordered three-dimensional nanowell arrays. Nano Lett. 12, 3682-3689 (2012).
  68. Wang, F. et al. Manganese oxides with rod-, wire-, tube-, and flower-like morphologies: highly effective catalysts for the removal of toluene. Environ. Sci. Technol. 46, 4034-4041 (2012).
  69. Jiang, D., Wang, W., Sun, S., Zhang, L. & Zheng, Y. Equilibrating the plasmonic and catalytic roles of metallic nanostructures in photocatalytic oxidation over Au-modified . ACS Catal. 5, 613-621 (2015).
  70. Žerjav, G. et al. Photo, thermal and photothermal activity of supported Pt catalysts for plasmon-driven environmental applications. J. Environ. Chem. Eng. 11, 110209 (2023).
  71. Zhao, J. et al. Interface engineering of S-scheme heterojunctions to enhance the photothermal catalytic degradation of toluene. J. Hazard. Mater. 452, 131249 (2023).
  72. Wang, Z.-Y. et al. MXene/CdS photothermal-photocatalytic hydrogels for efficient solar water evaporation and synergistic degradation of VOC. J. Mater. Chem. A 12, 10991-11003 (2024).
  73. Elimian, E. A. et al. Construction of multifunctional catalyst enriched with oxygen vacancies for the enhanced light-driven photothermocatalytic degradation of toluene. Appl. Catal. B 307, 121203 (2022).
  74. Bi, F. et al. Chlorine-coordinated Pd single atom enhanced the chlorine resistance for volatile organic compound degradation: mechanism study. Environ. Sci. Technol. 56, 17321-17330 (2022).
  75. Wang, Z. et al. Simulated solar light driven photothermal catalytic purification of toluene over iron oxide supported single atom Pt catalyst. Appl. Catal. B 298, 120612 (2021).
  76. Kong, J., Xiang, Z., Li, G. & An, T. Introduce oxygen vacancies into catalyst for enhanced coke resistance during photothermocatalytic oxidation of typical VOCs. Appl. Catal. B 269, 118755 (2020).
  77. Wei, L., Yu, C., Yang, K., Fan, Q. & Ji, H. Recent advances in VOCs and CO removal via photothermal synergistic catalysis. Chin. J. Catal. 42, 1078-1095 (2021).
  78. Ding, X., Liu, W., Zhao, J., Wang, L. & Zou, Z. Photothermal CO2 catalysis toward the synthesis of solar fuel: from material and reactor engineering to techno-economic analysis. Adv. Mater. 37, e2312093 (2025).
  79. Yu, X. et al. Advances in photothermal catalysis for air pollutants. Chem. Eng. J. 486, 150192 (2024).
  80. Tackett, B. M., Gomez, E. & Chen, J. G. Net reduction of via its thermocatalytic and electrocatalytic transformation reactions in standard and hybrid processes. Nat. Catal. 2, 381-386 (2019).
  81. Wang, S. et al. Grave-to-cradle upcycling of Ni from electroplating wastewater to photothermal catalysis. Nat. Commun. 13, 5305 (2022).
  82. Zeng, M. et al. Synergetic effect between photocatalysis on and thermocatalysis on for gas-phase oxidation of benzene on nanocomposites. ACS Catal. 5, 3278-3286 (2015).
  83. Song, C. et al. Volatile-organic-compound-intercepting solar distillation enabled by a photothermal/photocatalytic nanofibrous membrane with dual-scale pores. Environ. Sci. Technol. 54, 9025-9033 (2020).
  84. Song, C., Wang, Z., Yin, Z., Xiao, D. & Ma, D. Principles and applications of photothermal catalysis. Chem. Catal. 2, 52-83 (2022).
  85. Li, J. et al. Convergent ambient sunlight-powered multifunctional catalysis for toluene abatement over in situ exsolution of on perovskite parent. Chem. Eng. J. 412, 128560 (2021).
  86. Wang, H. et al. A review of whole-process control of industrial volatile organic compounds in China. J. Environ. Sci. 123, 127-139 (2023).
  87. Wang, R. et al. Emission characteristics and reactivity of volatile organic compounds from typical high-energy-consuming industries in North China. Sci. Total Environ. 809, 151134 (2022).
  88. Guaitella, O., Thevenet, F., Puzenat, E., Guillard, C. & Rousseau, A. oxidation by plasma/ combination: influence of the porosity, and photocatalytic mechanisms under plasma exposure. Appl. Catal. B 80, 296-305 (2008).
  89. Taranto, J., Frochot, D. & Pichat, P. Combining cold plasma and photocatalysis to purify gaseous effluents: a preliminary study using methanol-contaminated air. Ind. Eng. Chem. Res. 46, 7611-7614 (2007).
  90. Ma, R., Sun, J., Li, D. H. & Wei, J. J. Review of synergistic photo-thermo-catalysis: mechanisms, materials and applications. Int. J. Hydrog. Energy 45, 30288-30324 (2020).
  91. Wang, S., Ang, H. M. & Tade, M. O. Volatile organic compounds in indoor environment and photocatalytic oxidation: state of the art. Environ. Int. 33, 694-705 (2007).
  92. Nair, V., Muñoz-Batista, M. J., Fernández-García, M., Luque, R. & Colmenares, J. C. Thermo-photocatalysis: environmental and energy applications. ChemSusChem 12, 2098-2116 (2019).
  93. Zhang, Y. et al. Photocatalytic oxidation for volatile organic compounds elimination: from fundamental research to practical applications. Environ. Sci. Technol. 56, 16582-16601 (2022).
  94. Tomatis, M. et al. Removal of VOCs from waste gases using various thermal oxidizers: a comparative study based on life cycle assessment and cost analysis in China. J. Clean. Prod. 233, 808-818 (2019).
  95. Baskaran, D., Dhamodharan, D., Behera, U. S. & Byun, H.-S. A comprehensive review and perspective research in technology integration for the treatment of gaseous volatile organic compounds. Environ. Res. 251, 118472 (2024).
  96. Kong, J. et al. The synergic degradation mechanism and photothermocatalytic mineralization of typical VOCs over PtCu/CeO2 ordered porous catalysts under simulated solar irradiation. J. Catal. 370, 88-96 (2019).
  97. Zeng, Y., Zhong, J., Feng, F., Ye, D. & Hu, Y. Synergistic photothermal catalytic oxidation of methanol and toluene mixture over Co-MOFs-derived catalyst: interfacial and promotion effects. Chem. Eng. J. 485, 149720 (2024).
  98. Sun, H. et al. Room-light-induced indoor air purification using an efficient photocatalyst. Appl. Catal. B 108-109, 127-133 (2011).
  99. Lu, H. et al. Pilot-scale and large-scale Fenton-like applications with nano-metal catalysts: from catalytic modules to scale-up applications. Water Res. 266, 122425 (2024).
  100. Boyjoo, Y., Sun, H., Liu, J., Pareek, V. K. & Wang, S. A review on photocatalysis for air treatment: from catalyst development to reactor design. Chem. Eng. J. 310, 537-559 (2017).
  101. Vidal, J., Carvajal, A., Huiliñir, C. & Salazar, R. Slaughterhouse wastewater treatment by a combined anaerobic digestion/solar photoelectro-Fenton process performed in semicontinuous operation. Chem. Eng. J. 378, 122097 (2019).
  102. Miralles-Cuevas, S. et al. Is the combination of nanofiltration membranes and AOPs for removing microcontaminants cost effective in real municipal wastewater effluents? Environ. Sci. Water Res. 2, 511-520 (2016).
  103. Rueda-Márquez, J. J., Levchuk, I., Manzano, M. & Sillanpää, M. Toxicity reduction of industrial and municipal wastewater by advanced oxidation processes (photo-Fenton, UVC , electro-Fenton and galvanic Fenton): a review. Catalysts 10, 612 (2020).
  104. Nöthe, T., Fahlenkamp, H. & Sonntag, C. V. Ozonation of wastewater: rate of ozone consumption and hydroxyl radical yield. Environ. Sci. Technol. 43, 5990-5995 (2009).
  105. Mehralipour, J., Akbari, H., Adibzadeh, A. & Akbari, H. Tocilizumab degradation via photo-catalytic ozonation process from aqueous. Sci. Rep. 13, 22402 (2023).
  106. Radjenovic, J. & Sedlak, D. L. Challenges and opportunities for electrochemical processes as next-generation technologies for the treatment of contaminated water. Environ. Sci. Technol. 49, 11292-11302 (2015).
  107. Lanzarini-Lopes, M., Garcia-Segura, S., Hristovski, K. & Westerhoff, P. Electrical energy per order and current efficiency for electrochemical oxidation of p-chlorobenzoic acid with boron-doped diamond anode. Chemosphere 188, 304-311 (2017).

Acknowledgements

The authors thank the National Key Research & Development Program of China (2021YFA1202700, 2022YFB3504203), the Youth Innovation Promotion Association of CAS support to J.X. (2022308) and J.Y. (2023320), the National Natural Science Foundation of China (22376193) and the Australian Research Council (FL230100178). J.H. and M.R. acknowledge financial support from the Research Foudation-Flanders (FWO, grant no. G0983.19N, GOF2322N, VSO6523N) and Interne Fondsen KU Leuven through project C3/20/067 and CELSA/21/016. J.H. acknowledges the Flemish government through long-term structural funding Methusalem (CASAS2, Meth/15/04) and the Moonshot cSBO project P2C (HBC.2019.0108). The authors used ChatGPT with GPT-4 from OpenAI for language editing of earlier drafts of this manuscript.

Author contributions

All authors contributed substantially to discussion of the content, wrote the article and reviewed and/or edited the manuscript before submission.

Competing interests

The authors declare no competing interests.

Additional information

Supplementary information The online version contains supplementary material available at https://doi.org/10.1038/s44359-025-00037-1.
Peer review information Nature Reviews Clean Technology thanks M. Ateia, who co-reviewed with A. Butzlaff; L. Yang; and the other, anonymous, reviewer(s) for their contribution to the peer review of this work.
Publisher’s note Springer Nature remains neutral with regard to jurisdictional claims in published maps and institutional affiliations.
Springer Nature or its licensor (e.g. a society or other partner) holds exclusive rights to this article under a publishing agreement with the author(s) or other rightsholder(s); author self-archiving of the accepted manuscript version of this article is solely governed by the terms of such publishing agreement and applicable law.
(c) Springer Nature Limited 2025

  1. State Key Laboratory of Advanced Environmental Technology, Institute of Urban Environment, Chinese Academy of Sciences, Xiamen, China. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing, China. College of Electronics and Information Science, Fujian Jiangxia University, Fuzhou, China. Department of Electrical and Computer Engineering, University of Toronto, Toronto, Canada. Laboratory of Living Materials at the State Key Laboratory of Advanced Technology for Materials Synthesis and Processing, Wuhan University of Technology, Wuhan, China. cMACS, Department of Microbial and Molecular Systems, KU Leuven, Leuven, Belgium. Department of Chemistry, KU Leuven, Leuven, Belgium. Department of Chemistry, Tsinghua University, Beijing, China. School of Chemical Engineering, University of Adelaide, Adelaide, South Australia, Australia. Department of Energy Engineering, Korea Institute of Energy Technology (KENTECH), Naju, South Korea. e-mail: bweng@iue.ac.cn; jfxie@iue.ac.cn; hpjia@iue.ac.cn; ymzheng@iue.ac.cn