通过Fe?O?改性的丝瓜络生物炭活化过氧单硫酸盐实现染料废水的再利用

《Journal of Water Process Engineering》：Realizing the reuse of dye wastewater through Fe 2O 3 modified loofah biochar activated peroxymonosulfate

本研究采用水热法合成Fe?O?负载芦荟海绵生物炭催化剂，有效降解活性染料废水达97.8%，探究了不同阴离子（NaCl、Na?SO?）及催化剂循环稳定性（四次回收后仍达97%降解率），并验证了处理后的废水回用于染色可提升染料利用率2.23%-9.21%。

　　本研究探讨了一种通过水热法合成的铁离子负载生物炭催化剂在活性染料废水处理中的应用。实验结果显示，该催化剂在特定条件下对染料的降解效率高达97.80%。具体而言，使用0.25 g/L的铁氧化物掺杂的海绵瓜生物炭（Fe?O?@LSC）催化剂，并与3 g/L的过硫酸盐（PMS）混合反应60分钟，在25℃和初始pH值为7的条件下，实现了高效的染料降解。此外，研究还发现添加氯化钠（NaCl）能够显著提升染料降解率，其效果是未添加阴离子时的1.78倍。然而，最终的染料降解率差异并不明显。相比之下，添加硫酸钠（Na?SO?）则会抑制染料的降解，导致降解率低于85%。这些实验结果验证了染料降解过程主要依赖于羟基自由基（·OH）、硫酸根自由基（SO?^•–）和单线态氧（1O?）的协同作用。

在催化剂的可重复使用性方面，研究发现即使经过四次循环使用，Fe?O?@LSC催化剂仍然能够保持较高的降解效率，通过延长处理时间，其降解率仍能达到97%。这一特性表明该催化剂具备良好的循环利用潜力，为实际应用提供了便利。此外，与传统染色工艺相比，使用经过处理的活性染料废水进行染色，可以提升活性染料的上染率2.23%至9.21%。这一结果不仅展示了处理剂在染料废水处理中的可行性，还为实际应用提供了有价值的技术参考。

中国作为全球重要的纺织生产国，纺织行业在国民经济和公众福祉中占据着重要地位。然而，纺织印染过程中大量废水的排放已成为一个严峻的环境问题，阻碍了行业的可持续发展。特别是在活性染料的染色过程中，会产生大量高色度的废水，其成分复杂，处理难度较大。传统的废水处理方法往往难以满足严格的排放标准，因此需要开发更先进的处理技术以实现污染物的有效去除。近年来，先进氧化技术与吸附材料的结合成为一种新兴的废水处理方法。先进氧化技术通过氧化剂、催化剂等手段与有机污染物发生反应，生成具有高度氧化性的活性物质，从而将难降解的污染物转化为更容易处理的小分子物质，最终实现完全矿化为二氧化碳（CO?）、水（H?O）和无机盐。这种技术包括Fenton氧化、电化学氧化和过硫酸盐氧化等方法。

在众多先进氧化技术中，基于硫酸盐的高级氧化工艺（AOP）因其操作简单、环境友好和广泛适用性而备受关注。生物炭作为一种稳定的材料，因其优异的结构特性，如高比表面积和大量孔隙，被广泛应用于高级氧化工艺中。生物炭通常通过在缺氧或厌氧条件下对生物质进行高温热解而制备。其比表面积和含氧官能团被认为是激活过硫酸盐的重要活性位点。这一特性使得生物炭不仅能够作为吸附剂，还能在过硫酸盐体系中发挥催化剂的作用。然而，未经改性的生物炭催化性能通常较为有限，因此需要通过各种改性方法来提升其催化性能和稳定性。目前常用的改性方法包括蒸汽活化、酸碱改性和金属氧化物负载等，这些方法在一定程度上能够改善生物炭基催化剂的催化活性和稳定性。

在本研究中，研究人员利用海绵瓜作为原料，制备了Fe?O?@LSC催化剂。所选的染料为C.I. Reactive Red 218（RR218），其来源于实际的纺织印染废水。与大多数先前研究主要关注模拟废水中的模型染料（如罗丹明B）的降解不同，本研究聚焦于实际工业废水中存在的真实染料。研究系统地探讨了各种操作参数对印染废水降解效率的影响。此外，还深入分析了改性生物炭催化剂的催化机制以及Fe?O?@LSC催化剂的稳定性。最后，研究人员评估了处理后的染料溶液在纺织染色中的后续性能。

在材料方面，实验中使用了多种化学试剂，包括氯化钠（NaCl）、氢氧化钠（NaOH）、碳酸钠（Na?CO?）、硫酸钠（Na?SO?）、乙醇（EtOH，C?H?O）和硫酸（H?SO?）。此外，还使用了叔丁醇（TBA，C?H??O）和甲醇（MeOH，CH?OH）作为溶剂。用于实验的呋喃甲醇（FFA，C?H?O?）则来源于山东科元生物化工有限公司。这些材料的来源和纯度对实验结果的准确性具有重要影响，因此需要严格控制。

在对Fe?O?@LSC催化剂的形态分析中，研究通过扫描电子显微镜（SEM）对LSC和Fe?O?@LSC进行了观察。图2(a)显示，LSC具有三维有序的多孔结构，类似于蜂窝，这为材料提供了良好的机械强度和畅通的物质传递通道。这种结构使得LSC在动态水环境中表现出较强的抗压能力，不易发生破碎或侵蚀。图2(b)则展示了Fe?O?@LSC的形态特征。从图中可以看出，Fe?O?@LSC在结构上发生了明显的变化，铁氧化物被成功负载在生物炭基质上，形成了一种复合材料。这种结构的改变有助于提高催化剂的活性，使其在降解反应中发挥更高效的作用。

在结论部分，研究指出通过水热法合成的Fe?O?@LSC催化剂在活性染料废水处理中表现出良好的性能。该催化剂不仅具有低成本、环境友好、可重复使用和广泛pH适用性等优点，其降解效率也与一些高性能催化剂相当。Fe?O?@LSC/PMS系统在处理实际纺织废水时仍能保持较高的降解效率，显示出其在实际应用中的可行性。此外，通过电子顺磁共振（EPR）测试，研究人员进一步验证了该体系中活性自由基的存在，以及其在降解过程中的关键作用。

本研究的作者包括王冰心、舒大武、齐晓阳、张馨琪、张国清、董跃勇和安芳芳。每位作者在研究中都做出了重要贡献。王冰心负责撰写原始草稿、验证实验数据和提出研究方法。舒大武参与了数据可视化、资源协调和研究方法的制定。齐晓阳和张馨琪则负责实验数据的验证和研究方法的优化，同时进行正式的数据分析。张国清和董跃勇主要负责实验的调查与分析，而安芳芳则在研究的监督和正式数据分析方面发挥了重要作用。这些分工确保了研究的顺利进行和结果的可靠性。

在利益冲突声明中，研究作者表示他们没有已知的经济利益或个人关系可能影响本研究的报告。这表明研究结果具有较高的可信度和独立性，为后续研究和实际应用提供了可靠的依据。

最后，在致谢部分，研究得到了多项资金支持。其中包括河北省教育厅青年基金（QN2024163和QN2023090）、四川省纺织生态染整重点实验室（成都纺织高等专科学校）的开放项目（2024DF-AO2），以及新疆维吾尔自治区的“棉纤维无盐染色技术”项目。这些资金支持对于实验的顺利进行和研究成果的发表起到了关键作用，体现了研究的科学价值和社会意义。

综上所述，本研究不仅开发了一种高效且可重复使用的催化剂，还通过实验验证了其在实际应用中的可行性。同时，研究还探讨了多种操作参数对降解效率的影响，为未来的研究和实际应用提供了重要的参考。此外，通过形态分析和催化机制的研究，进一步揭示了催化剂在降解过程中的作用机理，为优化催化剂性能提供了理论依据。这些研究成果对于推动纺织行业的可持续发展、改善环境质量具有重要意义。