由废弃物制成的西瓜皮/Fe?O?催化剂用于偶联光-Fenton氧化偶氮染料

《Scientific Reports》：Waste-derived watermelon rind/Fe?O? catalyst for synergistic photo-Fenton oxidation of azo dye

　　

摘要

利用农业废弃物制备可持续的异质催化剂，为高级废水处理提供了一种环保的策略。本研究成功制备了一种新型的废弃西瓜皮/磁铁矿（WMR/Fe?O?）复合材料，作为一种可磁回收的催化剂，用于协同吸附-光芬顿法降解水溶液中的偶氮染料SPR Red。该研究的创新之处在于将木质纤维素质的西瓜皮与Fe?O?纳米颗粒结合，通过简单且低成本的制备方法，同时提升污染物的吸附能力、催化氧化效果以及催化剂的回收率。通过X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）对所合成的复合材料进行了表征，证实了结晶态的Fe?O?纳米颗粒均匀分布在生物质载体上。研究系统地分析了操作参数的影响，包括催化剂用量、过氧化氢浓度、pH值、染料浓度以及温度。在最佳操作条件下（pH值为2.9，催化剂用量为1.0–1.2克/升，过氧化氢浓度为430毫克/升），光芬顿体系在大约50分钟内即可实现96%的SPR染料降解效率，显著优于单纯的吸附法和传统异质芬顿法。动力学分析表明，染料降解遵循伪一级反应模型；热力学分析则显示该反应是自发的放热反应，活化能约为20千焦/摩尔。活性氧清除实验表明，羟基自由基（•OH）是导致染料降解的主要氧化剂。此外，该催化剂经过多次重复使用后仍能保持75%以上的初始活性，显示出优异的稳定性和磁回收性能。通过Box–Behnken响应面方法对工艺进行优化，准确预测出了最佳操作条件，实验结果与预测值高度吻合。这些研究结果表明，WMR/Fe?O?复合材料是一种低成本、可持续且高效能的异质光芬顿催化剂，在实际处理含染料工业废水方面具有广阔的应用前景。