Fe-Cu/γ-Al2O3非均相芬顿催化剂：破解石化废水深度处理难题的高效绿色解决方案

为解决传统芬顿技术pH范围窄、铁泥污染等问题，研究人员开发了Fe-Cu/γ-Al2O3非均相芬顿催化剂。通过浸渍-煅烧法制备的催化剂在中性条件下实现50.15% TOC去除率，9次循环后金属浸出量<1 mg/L且无铁泥生成。该研究为工业废水处理提供了高效稳定的技术方案。

　　

石化废水处理面临严峻挑战——这类废水不仅成分复杂、毒性高，传统生物处理难以达标排放。更棘手的是，当前主流的芬顿技术存在"先天缺陷"：必须在强酸性条件下运行，过程中产生大量铁泥造成二次污染。这些瓶颈严重制约了该技术在工业场景的应用。如何开发既能适应中性环境、又能避免污泥产生的绿色催化体系，成为环境工程领域的重大课题。

针对这一难题，来自中国的研究团队在《Water Cycle》发表创新成果。他们巧妙利用γ-Al₂O₃（一种具有高比表面积的氧化铝晶体）作为载体，通过浸渍-煅烧法负载铁铜双金属，构建出高效稳定的非均相芬顿催化剂。研究采用"单因素优化法"调控制备参数，结合电子顺磁共振(EPR)和自由基淬灭实验揭示反应机制，并通过扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)等表征手段解析催化剂结构特征。实验所用石化二级出水(PSE)取自中国北方某石化废水处理厂沉淀池。

【3.1 催化剂制备】
研究首先筛选活性金属组合，发现Fe-Cu双金属体系表现最优，TOC去除率达38.7%，显著高于单金属体系。通过优化确定最佳制备条件：Fe³⁺浸渍浓度0.28 mol/L、Cu²⁺浓度0.20 mol/L、500°C煅烧7小时。表征显示活性金属以Fe₃O₄和Cu₂O形态高度分散在载体表面，形成独特的针片状结构，比表面积达130.45 m²/g。

【3.2 催化降解性能】
在20 g/L催化剂和13.73 mmol/L H₂O₂条件下，体系对PSE的TOC去除率突破50%。值得注意的是，反应在pH 6-8范围内高效进行，无需酸碱调节。研究首次提出ΔTOC/ΔH₂O₂比值作为效率指标，发现H₂O₂过量会导致自由基自淬灭，利用率从65.68%降至61%。

【3.3 循环稳定性】
经过9次循环后，催化剂仍保持34%的TOC去除率，出水铁铜离子浓度均<1 mg/L。三维荧光光谱(3D-EEM)显示所有特征峰强度显著降低，证实体系对各类有机物的广谱降解能力。特别值得关注的是，反应过程始终未检测到铁泥生成，离心后出水浊度低于检测限。

【3.4 机理研究】
EPR检测到典型的1:2:2:1四重峰，确证·OH是主要活性物种。淬灭实验进一步揭示HO₂·的辅助作用。XPS分析发现使用后催化剂表面出现CuO特征峰，证实Cu⁺/Cu²⁺与Fe³⁺/Fe²⁺的氧化还原循环是催化核心机制。

这项研究实现了非均相芬顿技术的三重突破：首次在工业级废水处理中验证双金属协同效应；建立无需pH调节的绿色反应体系；彻底解决铁泥污染难题。催化剂制备采用廉价的γ-Al₂O₃载体，每批次可循环使用9次以上，具备显著的工程应用价值。该成果不仅为石化废水处理提供了新方案，更为非均相芬顿技术的工业化推广树立了标杆。研究揭示的Fe-Cu协同机制，也为开发其他环境催化材料提供了重要理论参考。