CIQTEK SEM-Mikroskopie enthüllt Cu-C-Nanosphären zur Überwindung der Katalysatordeaktivierung bei der Abwasserbehandlung

Mit der zunehmenden Industrialisierung und dem kontinuierlichen Anstieg der Schadstoffemissionen stellt organisches Abwasser eine ernsthafte Bedrohung für Ökosysteme und die menschliche Gesundheit dar. Statistiken zeigen, dass der Energieverbrauch für die industrielle Abwasserbehandlung 28 % des weltweiten Energieverbrauchs für die Wasseraufbereitung ausmacht. Die herkömmliche Fenton-Technologie leidet jedoch unter der Katalysatordeaktivierung, was zu einer geringen Behandlungseffizienz führt. Metallbasierte Katalysatoren in fortschrittlichen Oxidationsprozessen sind mit häufigen Engpässen konfrontiert: Der Redox-Zyklus kann nicht effektiv aufrechterhalten werden, Elektronentransferwege sind eingeschränkt, und traditionelle Herstellungsmethoden basieren auf hohen Temperaturen und hohem Druck mit Ausbeuten von nur 11–15 %.

Um diese Herausforderungen zu bewältigen, hat ein Forschungsteam von Technische Universität Dalian entwickelten einen Cu-C-Nanokatalysator durch gerichtete Kopplung von kommerzieller Zellulose mit Kupferionen mittels nasschemischer galvanischer Austauschmethode. Darüber hinaus etablierten sie ein neuartiges Abbausystem mit Zweikanal-Katalysemechanismus (Radikalweg + direkter Elektronentransfer) und breite pH-Anpassungsfähigkeit. Das Material erreichte einen Tetracyclin-Abbau von 65 % innerhalb von 5 Minuten (gegenüber <5 % bei kommerziellen Katalysatoren), wobei die Kupferionenauslaugung unter 1,25 mg/l lag (niedriger als der nationale Standard von 2,0 mg/l). In einem Festbettreaktor (PTR) wurde innerhalb einer Verweilzeit von nur 20 Sekunden eine Schadstoffentfernung von über 99 % erreicht. Durch die Ermöglichung einer anhaltenden katalytischen Aktivität durch den direkten Elektronentransferweg überwand dieser Ansatz das langjährige Problem der schlechten Umweltanpassungsfähigkeit herkömmlicher Katalysatoren.

Die Studie mit dem Titel „Robuster zweikanaliger katalytischer Abbau auf Basis organischer Schadstoffe über Cu-C-Komposite mit gerichteter Elektronengewinnung und klassischer Radikalspezieserzeugung“ , wurde veröffentlicht in Zeitschrift für Chemieingenieurwesen .

Bildung von Cu-C-Nanokatalysatoren

Das Team verwendete handelsübliche Zellulose als Träger und integrierte Kupferionen mittels nasschemischer galvanischer Austauschverfahren, um Cu-C-Nanokomposite mit zweikanaliger katalytischer Aktivität herzustellen. Charakterisierungen zeigten einzigartige Elektronentransfereffekte unter verschiedenen Bedingungen. SEM-Bildgebung ( CIQTEK SEM5000 ) enthüllte die mikrostrukturelle Entwicklung : Ursprüngliche Zellulose wies ein ungeordnetes Netzwerk auf, das sich nach der Kompositbildung in 10 nm große Kupferkugeln verwandelte, die sich selbst zu 100 nm großen hierarchischen Aggregaten zusammensetzten. Diese Struktur gewährleistete eine hohe Dispersion und einen guten Elektronentransport. SEM-EDS bestätigte eine gleichmäßige Elementverteilung. FTIR-Spektren zeigten einen Cu₂O-Peak bei 682,31 cm⁻¹ aufgrund von Redoxreaktionen während der Synthese. Das Vorhandensein von C=C-, C=O- und C–H-Gruppen untermauerte die Ergebnisse weiter, während ein starker –OH-Peak bei 3200–3600 cm⁻¹ beobachtet wurde. Die XPS-Analyse ergab, dass Cu 2p-Signale hauptsächlich von Cu₂(OH)₂CO₃ und Cu₂O stammten, wobei C 1s C=C- und C–C-Bindungen aufwiesen, was mit den FTIR-Ergebnissen übereinstimmt.

Abbildung 1. Herstellung und Charakterisierung des Katalysators

Katalytische Abbauleistung

Bei der Persulfataktivierung (PDS) zeigte der Cu-C-Katalysator zwei Abbauwege: 65 % Tetracyclinentfernung in 5 Minuten (gegenüber < 5 % bei kommerziellen Katalysatoren) bei einer Cu-Auslaugung von nur 1,25 mg/l, unterhalb des nationalen Grenzwertes. Kontrollexperimente bestätigten, dass der Abbau durch heterogene Katalyse verursacht wurde. Optimierungsstudien zu Oxidationsmitteltyp, Katalysator- und Oxidationsmitteldosierung zeigten die überlegene Leistung von Cu-C im Vergleich zu vielen kupferbasierten Katalysatoren.

Abbildung 2. Abbauleistung des Cu-C-Nanokatalysators bei der Schadstoffentfernung

Zweikanalige katalytische Reaktionswege

Der synergistische Mechanismus umfasste sowohl radikalische als auch direkte Elektronentransferwege und trugen jeweils ca. 55 % bzw. ca. 45 % bei. Radikallöschung, EPR-Detektion von SO₄•⁻- und •OH-Signalen, XPS-Verschiebungen (Cu(II)-Bindungsenergie ↓1,01 eV) und elektrochemische Strommessungen (~45 μA) bestätigten die Koexistenz dieser Mechanismen. Die Elektronendonorfähigkeit der Schadstoffe korrelierte positiv mit der katalytischen Leistung, was den direkten Elektronentransferweg weiter bestätigte.

Toxizitätsreduzierung und Wasserwiederverwendung

Toxizitätsanalysen zeigten, dass die Zwischenprodukte im Vergleich zu Tetracyclin eine um 96 % geringere LC₅₀-Toxizität für Fische aufwiesen, wobei 90 % der Zwischenprodukte geringere entwicklungsschädigende oder mutagene Effekte zeigten. Algenwachstumsexperimente zeigten, dass aufbereitetes Wasser eine gesunde Algenbiomasse förderte, die mit reinem Wasser vergleichbar war. In aufbereitetem Wasser kultivierte Lotuspflanzen wuchsen deutlich besser als solche in unbehandeltem Tetracyclin-Abwasser, was das Potenzial für eine sichere Wiederverwendung von Wasser bestätigt.

Abbildung 4. Geringe Toxizität von Zwischenprodukten und Wiederverwendung von aufbereitetem Wasser in Wassersystemen

Skalierbarkeit und Anpassungsfähigkeit

Die praktische Anwendbarkeit wurde mit Cu-C-Pulvern und CuC@FC-Festbettreaktoren (PTRs) validiert. Kontinuierliche Durchflussexperimente mit Tetracyclin, Methylrot und Chlorbenzol zeigten eine Entfernung von über 99 % elektronenreicher Schadstoffe und Farbstoffe, wobei die Leistung bei elektronenarmen Verbindungen geringer war. Im Vergleich zu herkömmlichen Hochtemperatur- und Hochdruckmethoden erforderte die Cu-C-Synthese deutlich niedrigere Temperaturen und kürzere Zeiten, was die Machbarkeit einer automatisierten, großtechnischen und energiearmen Produktion für industrielle Anwendungen unterstreicht.

Diese Arbeit erzielt einen doppelten Durchbruch hinsichtlich Effizienz und Nachhaltigkeit beim Abbau organischer Schadstoffe. Durch die Ermöglichung kooperativer Radikal- und direkter Elektronentransferwege passt sich der Cu-C-Katalysator an unterschiedliche Wasserbedingungen und Schadstoffeigenschaften an. Dieses Design ebnet den Weg für eine energiearme, hochverträgliche und ressourcenorientierte Abwasserbehandlung und bietet ein neues Paradigma für die industrielle Wassersanierung.