Адсорбционно-каталитическая активность композитных материалов CoFe2O4@C на основе биоугля в процессах очистки воды от 2,4-динитрофенола

Алёна Владимировна  Дорошенко; Елена Викторовна  Томина

doi:10.17308/sorpchrom.2025.25/12957

Алёна Владимировна Дорошенко Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова, Воронеж, Российская Федерация, Воронежский государственный университет, Воронеж, Российская Федерация
Елена Викторовна Томина Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова, Воронеж, Российская Федерация, Воронежский государственный университет, Воронеж, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0002-5222-0756

DOI: https://doi.org/10.17308/sorpchrom.2025.25/12957

Ключевые слова: композит, биоуголь, феррит кобальта, наночастицы, гетерогенный катализ, реакция Фентона, сорб-ция.

Аннотация

Композиты с участием наноразмерных магнитных ферритов со структурой шпинели привлекают все большее внимание как функциональные материалы для катализа и сорбции. Преимущество таких катализаторов и сорбентов определяется их термической стабильностью, химической устойчивостью в агрессивных средах, большой площадью удельной поверхности, высокой намагниченностью насыщения, позволяющей создавать на их основе магнитоуправляемые материалы с адсорбционно-каталитической активностью, извлекаемые из водной среды методами магнитной сепарации.

Методом цитратного горения синтезированы композитные материалы CF@C400, CF@C500, CF@C600 на основе углей, полученных карбонизацией березовых опилок размером не более 1 мм при температурах 400, 500, 600^оС, и наноразмерного феррита кобальта CoFe₂O₄со структурой шпинели. Методом рентгенофазового анализа установлено присутствие наноразмерных кристаллитов шпинели CoFe₂O₄во всех композитных материалах. Средний размер областей когерентного рассеяния частиц феррита кобальта, рассчитанный с использованием формулы Дебая-Шеррера, составляет 18±4 нм в композите CF@C400; 16±4 нм в композите CF@C500 и 17±4 нм в композите CF@C600. Методом инфракрасной спектроскопии выявлено наличие целого ряда функциональных групп на поверхности углей (–OH,
–CH₂, =O , C=C, –CH₃).

Установлена высокая адсорбционно-каталитической активность композитов CoFe₂O₄@C в процессе очистки водного раствора от 2,4-динитрофенола (ДНФ) с концентрацией 0.15 г/дм³ при ультрафиолетовом облучении. Осуществлена дифференциация окисления и сорбции 2.4-динитрофенола на композитных материалах CF@C400, CF@C500, CF@C600. Сорбционная емкость композитов по отношению к ДНФ уменьшается в ряду CF@C500 > CF@C600 > CF@C400. Суммарная степень очистки для композитов CF@C400, CF@C500, CF@C600 составляет 96, 97 и 96% соответственно.

Синтезированные на основе отходов деревообрабатывающей промышленности композитные материалы обеспечивают высокие степени очистки воды от 2.4-динитрофенола, что позволяет рассматривать их как перспективные материалы для процессов очистки сточных вод.

Скачивания

Данные скачивания пока не доступны.

Биографии авторов

Алёна Владимировна Дорошенко, Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова, Воронеж, Российская Федерация, Воронежский государственный университет, Воронеж, Российская Федерация

преподаватель СПО кафедры химии и биотехнологии, Воронежский государственный лесотехнический университет им. Г.Ф. Морозова, Воронеж, Российская Федерация; магистрант кафедры материаловедения и индустрии наносистем, Воронежский государственный университет, Воронеж, Российская Федерация

Елена Викторовна Томина, Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова, Воронеж, Российская Федерация, Воронежский государственный университет, Воронеж, Российская Федерация

д.х.н., зав. кафедрой химии, Воронежский государственный лесотехнический университет им. Г.Ф. Морозова, Воронеж, Российская Федерация; доцент кафедры материаловедения и индустрии наносистем, Воронежский государственный университет, Воронеж, Российская Федерация

Литература

Hygienic standards "Tentative permis-sible levels (TPL) of chemicals in water of wa-ter bodies for domestic and recreational water use GN 2.1.5.2307-07". 2008; 10923.

Hygienic standards "Maximum permis-sible concentrations (MPC) of chemicals in water of water bodies for domestic and recrea-tional water use GN 2.1.5.1315-03". 2003.

Vetrova M.A., Ivantsova N.A., Logi-nova A.V., Kurbatov A.Yu. A promising method for treating wastewater from pharma-ceutical enterprises. Advances in Chemistry and Chemical Technology, 2022; 261(12): 34-36.

Jiang R., Xiao M., Zhu H.-Y., Zhao D.-X., Zang X., Fu Y.-Q., Zhu J.-Q., Wang Q., Liu H. Sustainable chitosan-based materials as heterogeneous catalyst for application in wastewater treatment and water purification: An up-to-date review. International Journal of Biological Macromolecules. 2024; 273(1): 133043.

Konkova T.V., Ivantsova N.A., Ale-khina M.B., Kandelaki N.I. Catalytic oxidation of carmoisine azo dye in wastewater. Water: Chemistry and Ecology, 2014; 76(10): 38-43.

Artemyanov A.P., Zemskova L.A., Ivanov V.V. Catalytic liquid-phase oxidation of phenol in aqueous media using a carbon fi-ber/iron catalyst. Russian Journal of Chemistry and Chemical Technology, 2017; 60(8): 88-95. https://doi.org/10.6060/tcct.2017608.5582

Korak J.A., Mungan A.L., Watts L.T. Critical Review of Waste Brine Management Strategies for Drinking Water Treatment Using Strong Base Ion Exchange. J. Hazard. Mater. 2023; 441: 129473. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2022.129473

Sahoo T.R., Prelot B. Chapter 7 – Ad-sorption processes for the removal of contami-nants from wastewater: the perspective role of nanomaterials and nanotechnology. Nano-materials for the Detection and Removal of Wastewater Pollutants. 2020: 161-222. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-818489-9.00007-4

Saleh T.S., Badawi A.K., Salama R.S., Mostafa M.M.M. Design and Development of Novel Composites Containing Nickel Ferrites Supported on Activated Carbon Derived from Agricultural Wastes and Its Application in Wa-ter Remediation. Mater. 2023; 16(6): 2170. https://doi.org/10.3390/ma16062170

Tomina E.V., Sladkopevtsev B.V., Tien N.A., Mai V.Q. Nanocrystalline Ferrites with Spinel Structure for Various Functional Appli-cations. Inorganic Materials. 2023; 59(13): 1363-1385. https://doi.org/10.1134/S0020168523130010

Zekić E., Vuković Ž., Halkijev I. Ap-plication of Nanotechnology in Wastewater Treatment. Građevinar. 2018; 70(4): 315-323. https://doi.org/10.14256/JCE.2165.2017

Abdelbasir S.M., Shalan A.E. An Overview of Nanomaterials for Industrial Wastewater Treatment. Korean J. Chem. Eng. 2019; 36: 1209-1225. https://doi.org/10.1007/s11814-019-0306-y

Yang J., Hou B., Wang J., Tian B., Bi J., Wang N., Li X., Huang X. Nanomaterials for the Removal of Heavy Metals from Wastewater. Nanomaterials. 2019; 9: 424. https://doi.org/10.3390/nano9030424

Kim W.-K., Shim T., Kim Y.-S., Hyun S., Ryu C., Park Y.-K., Jung J. Characteriza-tion of cadmium removal from aqueous solu-tion by biochar produced from a giant Miscan-thus at different pyrolytic temperatures. Biore-source Technology. 2013; 138: 266-270. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2013.03.186

Tan X., Liu Y., Zeng G., Wang X., Hu X., Gu Y., Yang Z. Application of biochar for the removal of pollutants from aqueous solu-tions. Chemosphere. 2015; 125: 70-85. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2014.12.058

Tomina E.V., Khodosova N.A., Ngu-yen A.T., et al. Features of methylene blue ad-sorption by biochars based on pine and birch carbonizates. Sorption and Chromatographic Processes, 2024; 24(1): 44-55. https://doi.org/10.17308/sorpchrom.2024.24/12020

Tomina E.V., Khodosova N.A., Manu-kovskaya V.E., Zhuzhukin K.V. Effect of physicochemical activation on the sorption ac-tivity of biochar derived from pine sawdust. Ecology and Industry of Russia, 2023; 27(6): 67-71. https://doi.org/10.18412/1816-0395-2023-6-67-71

Xie Ya., Wang L., Li H., Westholm L.J., Carvalho L., Thorin E., Yu Zh., Yu X., Skreiberg Ø. A critical review on production, modification and utilization of biochar. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. 2022; 161: 105405. https://doi.org/10.1016/j.jaap.2021.105405

Su D.S., Wen G., Wu S., et al. Carbo-catalysis in Liquid-Phase Reactions. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2017; 56(4): 936-964. https://doi.org/10.1002/anie.201600906

Honda K., Waki Y., Matsumoto A., et al. Amorphous Carbon Having Higher Catalyt-ic Activity toward Oxygen Reduction Reaction: Quinone and Carboxy Groups Introduced onto Its Surface. Diamond Relat. Mater. 2020; 107: 107900. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2020.107900

Antonietti M., Lopez-Salas N., Primo A. Adjusting the Structure and Electronic Prop-erties of Carbons for Metal-Free Carbocatalysis of Organic Transformations. Adv. Mater. 2019; 31(13): e1805719. https://doi.org/10.1002/adma.201805719

Konwar L.J., Maki-Arvela P., Mikkola J.P. SO3H-Containing Functional Carbon Ma-terials: Synthesis, Structure, and Acid Cataly-sis. Chem. Rev. 2019; 119(22): 11576-11630. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.9b00199

Toktorbaeva G.P., Tashpolotov Y. De-termination of the granulometric composition of walnut coal by the sieve method. The Scien-tific Heritage, 2023; 106: 64-68.

JCPDC PCPDFWIN: A Windows Re-trieval/Display Program for Accessing the ICDD PDF-2 Database. International Centre for Diffraction Data. 1997.

Akimova O.V. Identification of pack-ing defects in palladium-based alloys by X-ray diffraction. Moscow University Bulletin, 2024; 3(1): 59-64.

Kuznetsov B.N., Chesnokova N.V., Tsyganova S.I., Mikova N.M., Ivanov I.P., Ivanchenko N.M. Porous carbon materials ob-tained by chemical activation of birch wood. Chemistry of Solid Fuels, 2016; 1(1): 25-32.

Lebedeva N.Sh., Hesse Zh.F., Snegirev D.G. Thermochemical study of the thermo-oxidative decomposition of various wood spe-cies. Modern Problems of Civil Protection, 2022; 4(45): 86-92.

Zawadzki J. Chemistry and Physics of Carbon. N.Y.: Marcel Dekker, 1989; 21: 147-369.

Zhang X., Zhao B., Liu H., Zhao Y., Li L. Environmental Technology & Innovation. 2022; 26: 102288. https://doi.org/

1016/j.eti.2022.102288

Shabelskaya N.P., Radjabov A.M., Egorova M.A., Arzumanova A.V., Ulyanova V.A. Study of conditions for obtaining co-balt(II) ferrite on the surface of biochar. Inor-ganic Materials. 2024; 60(2): 249-256. https://doi.org/10.31857/S0002337X24020131

Zhang F, Wei C, Wu K, Zhou H, Hu Y, Preis S (2017) Mechanistic evaluation of ferrite AFe2O4 (A=Co, Ni, Cu, and Zn) cata-lytic performance in oxalic acid ozonation. Appl Catal A. 2017; 547: 60-68. https://doi.org/10.1016/j.apcata.2017.08.025

Tatarchuk T., Shyichuk A., Traw-czyńska I., Yaremiy I., Pędziwiatr A.T., Kur-zydło P., Bogacz B.F., Gargula R. Spinel Co-balt (II) Ferrite-Chromites as Catalysts for H2O2 Decomposition: Synthesis, Morphology, Cation Distribution and Antistructure Model of Active Centers Formation. Ceram. Int., 2020; 46: 27517-27530.

Espinosa J.C., Navalon S., Primo A., et al. Graphenes as Efficient Metal-Free Fenton Catalysts. Chemistry, 2015; 21(34): 11966-11971.

Pentsak E.O., Gordeev E.G., Ananikov V.P. Carbocatalysis: From acetylene trimeriza-tion to modern organic synthesis. Review. Rus-sian Academy of Sciences Reports: Chemistry and Materials Science, 2020; 492-493(1): 70-103.

Khodosova N.A., Novikova L.A., Tomina E.V. Magnetic Nanosorbents Based on Bentonite and CoFe2O4 Spinel. Minerals, 2022; 12(11): 1474. https://doi.org/10.3390/min12111474