Микроскопия CIQTEK SEM представляет Cu-C-наносферы для преодоления дезактивации катализаторов при очистке сточных вод

В условиях ускорения индустриализации и непрерывного роста выбросов загрязняющих веществ органические сточные воды представляют серьёзную угрозу для экосистем и здоровья человека. Статистика показывает, что потребление энергии на очистку промышленных сточных вод составляет 28% от мирового потребления энергии на очистку воды. Однако традиционная технология Фентона страдает от дезактивации катализатора, что приводит к низкой эффективности очистки. Металлические катализаторы в современных процессах окисления сталкиваются с общими узкими местами: окислительно-восстановительный цикл не может эффективно поддерживаться, пути переноса электронов ограничены, а традиционные методы подготовки основаны на высоких температурах и давлении, что обеспечивает выход продукта всего 11–15%.

Чтобы решить эти проблемы, исследовательская группа из Даляньский технологический университет Разработан нанокатализатор Cu-C путем направленного связывания коммерческой целлюлозы с ионами меди методом влажной химической гальванической замены. Кроме того, была разработана новая система деградации, включающая двухканальный каталитический механизм (радикальный путь + прямой перенос электронов) и широкая адаптируемость к pH. Материал обеспечил разложение тетрациклина на 65% в течение 5 минут (по сравнению с <5% у коммерческих катализаторов), при выщелачивании ионов меди менее 1,25 мг/л (ниже национального стандарта 2,0 мг/л). В реакторе с насадочным слоем (PTR) было достигнуто удаление более 99% загрязняющих веществ за время пребывания всего 20 секунд. Обеспечивая стабильную каталитическую активность посредством прямого переноса электронов, этот подход позволил решить давнюю проблему низкой экологической адаптивности традиционных катализаторов.

Исследование под названием «Надежная двухканальная каталитическая деградация органических загрязнителей с использованием композитов Cu-C с направленным сбором электронов и генерацией классических радикальных видов» , был опубликован в Журнал химической инженерии .

Формирование нанокатализатора Cu-C

Используя коммерческую целлюлозу в качестве носителя, группа исследователей внедрила ионы меди методом влажной химической гальванической замены для создания нанокомпозитов Cu-C с двухканальной каталитической активностью. Исследования выявили уникальные эффекты переноса электронов в различных условиях. СЭМ-изображения ( CIQTEK SEM5000 ) выявил микроструктурную эволюцию : исходная целлюлоза имела неупорядоченную сетку, которая после формирования композита трансформировалась в медные сферы размером 10 нм, самоорганизующиеся в иерархические агрегаты размером 100 нм. Такая структура обеспечивала высокую дисперсию и транспорт электронов. SEM-EDS Подтверждено равномерное распределение элементов. ИК-спектры с преобразованием Фурье выявили пик Cu₂O при 682,31 см⁻¹, обусловленный окислительно-восстановительными реакциями в процессе синтеза. Присутствие групп C=C, C=O и C–H также подтверждает полученные результаты, в то время как интенсивный пик –OH наблюдался в области 3200–3600 см⁻¹. Анализ РФЭС показал, что сигналы Cu 2p в основном относятся к Cu₂(OH)₂CO₃ и Cu₂O, а сигналы C 1s – к связям C=C и C–C, что согласуется с результатами ИК-спектроскопии с преобразованием Фурье.

Рисунок 1. Приготовление и характеристика катализатора

Эффективность каталитической деградации

При активации персульфатом (PDS) катализатор Cu-C продемонстрировал два пути деградации: удаление 65% тетрациклина за 5 минут (по сравнению с <5% для коммерческих катализаторов) при выщелачивании Cu всего 1,25 мг/л, что ниже национального предела. Контрольные эксперименты подтвердили, что деградация вызвана гетерогенным катализом. Оптимизационные исследования по типу окислителя, дозировке катализатора и дозировке окислителя показали превосходную эффективность Cu-C по сравнению со многими катализаторами на основе меди.

Рисунок 2. Эффективность деградации нанокатализатора Cu-C при удалении загрязняющих веществ

Двухканальные каталитические пути

Синергетический механизм включал как радикальный, так и прямой путь переноса электронов, вклад которых составил ~55% и ~45% соответственно. Гашение радикалов, ЭПР-детектирование сигналов SO₄•⁻ и •OH, сдвиги в спектрах РФЭС (энергия связи Cu(II) ↓1,01 эВ) и измерения электрохимического тока (~45 мкА) подтвердили сосуществование этих механизмов. Электронодонорная способность загрязняющих веществ положительно коррелировала с каталитической активностью, что дополнительно подтверждает существование прямого пути переноса электронов.

Снижение токсичности и повторное использование воды

Анализ токсичности показал, что токсичность промежуточных соединений для рыб на 96% ниже (LC₅₀) по сравнению с тетрациклином, при этом 90% промежуточных соединений проявляли сниженное влияние на развитие или мутагенное действие. Эксперименты по росту водорослей показали, что очищенная вода способствовала росту здоровой биомассы водорослей, сопоставимой с чистой водой. Растения лотоса, выращиваемые в очищенной воде, демонстрировали значительно лучший рост, чем растения, выращиваемые в неочищенных сточных водах, содержащих тетрациклин, что подтверждает возможность безопасного повторного использования воды.

Рисунок 4. Низкая токсичность промежуточных продуктов и повторное использование очищенной воды в водных системах

Масштабируемость и адаптивность

Практичность метода была подтверждена с использованием порошков Cu-C и реакторов с насадочным слоем CuC@FC (PTR). Эксперименты с непрерывным потоком с тетрациклином, метиловым красным и хлорбензолом показали более 99% удаления электронно-избыточных загрязняющих веществ и красителей, хотя эффективность была ниже для электронно-дефицитных соединений. По сравнению с традиционными методами, использующими высокие температуры и давление, синтез Cu-C требовал значительно более низких температур и более короткого времени, что подтверждает возможность автоматизированного, крупномасштабного и низкоэнергетического производства для промышленного применения.

Эта работа представляет собой двойной прорыв в области эффективности и устойчивости процесса разложения органических загрязнителей. Обеспечивая кооперативный перенос радикалов и прямой перенос электронов, катализатор Cu-C адаптируется к различным параметрам воды и характеристикам загрязняющих веществ. Эта разработка открывает путь к энергосберегающей, высокосовместимой и ресурсоориентированной очистке сточных вод, предлагая новую парадигму очистки промышленных вод.