咖啡渣基活性炭催化剂用于臭氧水处理的优化：开启可持续水净化新征程

研究人员针对咖啡渣（CG）大量浪费及草酸（OXL）难以被臭氧单独降解的问题，开展了利用 Box-Behnken 设计优化咖啡渣基活性炭（ACCG）合成条件用于催化臭氧降解 OXL 的研究。结果表明优化条件下 ACCG 催化活性显著提升，为水处理提供可持续方案。

　　咖啡，作为全球广受欢迎的饮品，每天都在为人们带来活力与享受。然而，在这背后，却隐藏着一个严峻的环境问题。全球每天消耗超过 22.5 亿杯咖啡，由此产生的咖啡渣（CG）数量惊人，每年约达 6000 万吨。这些咖啡渣大多被送往垃圾填埋场，不仅占用大量土地资源，还可能引发燃烧风险，释放温室气体，对环境造成极大压力。同时，在水处理领域，草酸（OXL）这类污染物难以被臭氧单独有效降解，容易在环境中持续存在，威胁生态安全。为了解决这些问题，来自国外的研究人员开展了一项极具意义的研究，相关成果发表在《Cleaner Water》上。

研究人员旨在探索将咖啡渣转化为高效催化剂，用于臭氧水处理的可行性，并优化其制备条件，以提高对草酸的降解效率。为此，他们采用了 Box-Behnken 设计和响应面法（RSM）等技术。在研究过程中，对合成的活性炭进行了多种表征分析，还通过催化臭氧氧化实验和添加自由基清除剂等方式，深入探究反应机制和催化剂性能。

研究结果如下：

1. 材料表征：通过 N₂吸附 - 脱附等温线、热重分析（TGA）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和扫描电子显微镜（SEM）等技术对制备的 ACCG 进行表征。结果显示，较高的活化温度（如 800°C）能增加材料的比表面积（S_BET），但过高的 CO₂含量会对 S_BET产生负面影响。TGA 分析表明咖啡渣在不同温度区间发生不同成分的分解，而 FTIR 光谱则显示出碳化和活化过程中功能基团的变化。
2. 统计评估：实验表明 ACCG 对 OXL 的吸附可忽略不计。通过统计模型分析，发现模型对实验数据拟合良好（R²=0.994），且具有统计学意义和预测性。回归系数分析显示，不同因素对 OXL 降解速率常数（k’₁₈₀）的影响不同，如驻留温度和 CO₂的线性效应为正，但二次效应为负，说明过高的温度和 CO₂含量会降低催化活性；驻留时间²的影响最显著且为负，而适度的驻留时间对催化活性有益。
3. 响应优化：利用 Excel 的 Solver 工具和 STATISTICA 7.0 软件的合意函数确定了最佳合成条件，即驻留温度 400°C、驻留时间 2 h 和 CO₂ 70%（v/v），该条件下的材料（Run G）用于后续研究。
4. 反应机制：添加自由基清除剂的实验表明，单线态氧（¹O₂）是催化臭氧氧化过程中的主要活性氧物种。此外，实验还发现不同浓度的清除剂对反应的影响不同，且反应介质的酸性会抑制羟基自由基（^•OH）对 OXL 降解的贡献。
5. 稳定性测试：对最佳性能的 ACCG（Run G）进行稳定性测试，结果显示其在三次循环使用中，虽第一次循环后活性有所下降，但后续趋于稳定，且每次循环的 OXL 去除率均高于单独臭氧处理。

研究结论表明，通过 Box-Behnken 设计和 RSM 优化得到的 ACCG 在催化臭氧降解 OXL 方面表现出色，最佳合成条件下的材料具有较高的 k’₁₈₀。同时，明确了¹O₂是主要活性物种，且 ACCG 在多次使用后仍保持一定的催化活性。这项研究为咖啡渣的资源化利用提供了新途径，支持了循环经济模式，也为臭氧驱动的水处理提供了可持续且有效的催化剂。然而，该催化剂的稳定性仍有待提高，未来研究可聚焦于通过表面改性等方式，减少臭氧对催化剂的破坏，增强其实际应用价值。

综上所述，该研究成果为解决咖啡渣浪费和水污染问题提供了新的思路和方法，对推动可持续发展和环境保护具有重要意义。