De aanwezigheid van organische microverontreinigingen (OMPs) in het effluent van  afvalwaterzuiveringsinstallaties vormt een grote bedreiging voor het watersysteem en de drinkwaterbronnen. Op foto-elektrokatalyse (PEC) gebaseerde geavanceerde oxidatie (AOP) is één van de opkomende en effectieve technieken om OMPs af te breken door middel van een oxidatief mechanisme. 

Op PEC gebaseerde AOP omvat het gebruik van halfgeleidende anodematerialen voor de in-situ productie van oxidanten, voornamelijk hydroxyl-  (•OH) en superoxideradicalen (•O−2). De in-situ oxidanten oxideren de OMPs aselectief waarmee ze uit het afvalwater worden verwijderd. Het principe van op foto-elektrokatalyse gebaseerde geavanceerde oxidatie (PEC-AOP) is weergegeven in figuur 1. 

Figuur 1. Het principe van op foto-elektrokatalyse gebaseerde geavanceerde oxidatie (PEC-AOP)

Veel fotokatalysatoren hebben het nadeel dat ze vanwege hun grote bandgap-energie (3,0 - 3,5 eV) alleen fotonen kunnen absorberen in het UV-bereik van zonnestraling. Bismutvanadaat (BiVO4) is in zijn monokliene scheelietfase een door zichtbaar licht aangedreven fotokatalysator met een kleine bandgap (~2,4 eV), en vanwege zijn stabiliteit en niet-toxiciteit wordt in dit project BiVO4 gebruikt als anodisch materiaal. Het combineren van monokliene scheeliet BiVO4 met andere fotokatalysatoren om een heterojunctie te maken, is een innovatieve en effectieve strategie om de PEC-activiteit van BiVO4 te verbeteren. Dit heeft geleid tot op heterojunctie gebaseerde BiVO4/TiO2-Graphene Oxide (GO) anodes. 

De werking van deze innovatieve technologie is aangetoond op laboratoriumschaal. Figuur 2 toont de reactor op laboratoriumschaal. 

Figuur 2. Het PEC-AOP proces op laboratoriumschaal 

Gebruik van zonne-energie lijkt een gunstig effect te hebben op de duurzaamheid van deze technologie. De uitdaging is hoe het principe eruit ziet in een full-scale reactorconfiguratie. Concrete uitdagingen zijn: 

• de interactie tussen een nagestreefd groot elektrode-oppervlak en klein reactorvolume; 
• het tegelijkertijd optreden van reacties aan het oppervlak van de elektrodes èn in de bulk vloeistof (het te behandelen rwzi-effluent);
• de interactie tussen zonlicht en UV-licht enerzijds en het fotokatalytsche elektrode oppervlak anderzijds. 

In dit project gebruiken we Computational Fluid Dynamics (CFD) modellering van op de heterojunctie gebaseerde BiVO4/TiO2-Graphene Oxide (GO) anode om de optimale reactor- en elektrodeconfiguratie te bepalen voor maximale verwijderingsrendement van OMPs uit tertiair effluent. De resultaten van CFD-modellering zullen helpen bij het verder voorspellen van de opschaalbaarheid en uiteindelijk de praktische toepasbaarheid van het gebruik van op PEC gebaseerde technologie voor het verwijderen van OMPs in de reeds bestaande infrastructuur van afvalwaterzuiveringsinstallaties.