郑州大学Chem. Eng. Sci.：800/1500 °C两段焦耳热20秒，固废变身钴/生物炭催化剂用于有机废水高效降解

1. 背景难降解有机污染物如染料、农药和抗生素具有结构稳定、毒性高和迁移性强等特点传统处理工艺往往难以实现快速去除。基于硫酸根自由基的高级氧化过程SR-AOPs可通过活性氧物种氧化或矿化污染物但其效率高度依赖过一硫酸盐PMS活化催化剂。钴基催化剂活性高却常受团聚、金属浸出和 pH 敏感性制约将钴物种负载到生物炭等碳材料上有望同时提升电子传输、稳定性和反应路径调控能力。如何以低能耗、低成本方式把含钴固废和生物质废弃物转化为高效催化剂正是本文关注的核心问题。2. 论文概要本文利用闪蒸焦耳热FJH技术以钴富渣CRS和废咖啡渣SCG为原料经 800 °C 10 s 与 1500 °C 10 s 的两段快速热处理制备钴/生物炭复合催化剂 CRSBC用于 PMS 活化降解罗丹明 BRhB。FJH 的瞬时高温和快速升降温过程一方面将 SCG 转化为石墨化碳载体另一方面将 CRS 中高价钴锰氧化物还原为更具活性的低价金属物种构建金属活性位点与导电碳基体协同的催化体系。最优 CRSBC-1/PMS 体系可在 15 min 内实现 20 mg L-1 RhB 的 100% 去除且在宽 pH、共存离子和连续流条件下保持稳定生命周期评价和成本分析显示其制备过程具有较低环境影响GWP 14.87 kg CO2 eq和较低成本约 5.46 美元 kg-1。3. 图文解读图形摘要从固废到清洁水的快速转化路径钴富渣提供 Co/Mn 金属源废咖啡渣提供碳源经闪蒸焦耳热快速处理后形成高效 CRSBC 催化剂再通过 PMS 活化实现染料废水净化。该图强调本文的双重价值即固废资源化与有机废水高级氧化处理的耦合。图 1CRSBC 的合成流程与微观形貌图 1 展示了 CRS 与 SCG 混合后经 FJH 处理生成钴/生物炭复合催化剂的过程并通过 SEM 和 EDS 证明材料形貌发生显著重构。原始钴富渣呈纳米粗糙颗粒FJH 处理后转为不规则多面体废咖啡渣碳化后形成碳基结构Co、Mn、O 等元素成功负载于碳载体表面为后续 PMS 活化提供金属-碳协同界面。图 2晶相、碳结构与表面价态的协同调控图 2 通过 XRD、Raman、氮吸附和 XPS 系统揭示 CRSBC 的结构演化FJH 促进 SCG 形成石墨化碳同时将高价 Co/Mn 氧化物还原为 CoO、金属 Co 和 Mn-Co 碳化物等低价活性物种。随着 SCG 比例升高碳材料石墨化程度和孔结构增强但表面 Co/Mn 暴露量下降说明催化性能需要在金属活性位点、碳缺陷和导电碳结构之间取得平衡。图 3RhB 降解性能与活性物种证据图 3 显示 CRSBC-1/PMS 体系在 15 min 内实现 RhB 完全去除速率常数达到 0.4944 min-1优于单独 PMS、原始 CRS、单独碳化生物炭和其他配比样品。猝灭实验与 EPR 结果表明SO4•-、•OH 和 1O2 均参与反应其中硫酸根自由基贡献突出Co 价态变化、循环伏安和电流响应进一步证明金属位点与碳基体共同促进 PMS 活化和电子转移。图 4自由基与非自由基并行的反应机制图 4 总结了 CRSBC 活化 PMS 降解 RhB 的双路径机制Co/Mn 金属活性位点驱动 PMS 产生 SO4•- 和 •OH 等自由基碳缺陷和导电碳网络则促进电子转移与单线态氧生成。该机制说明 CRSBC 的高活性不是单一金属或单一碳材料作用而是低价金属、碳缺陷和导电界面协同调控反应路径的结果。图 5工艺参数对污染物降解的影响图 5 考察 RhB 初始浓度、反应温度、pH 和共存物质对催化性能的影响低浓度 RhB 可快速完全降解浓度升高后因活性物种需求增加和活性位点竞争而速率下降升温可促进 PMS 活化体系表观活化能仅 14.99 kJ mol-1在 pH 5.2-10.0 范围内均可实现 100% 去除且对 Cl-、NO3-、SO42- 和腐殖酸具有较强抗干扰能力表明体系具有较好的水质适应性。图 6连续流验证与环境经济评价图 6 将材料性能推进到应用评估层面在连续流柱反应中CRSBC-1/PMS 对 2000 mL RhB 溶液保持约 99% 去除率Co/Mn 浸出低于 0.1 mg L-1体现较好稳定性和环境兼容性。LCA 显示制备 1 kg CRSBC-1 的 GWP 为 14.87 kg CO2 eq主要贡献来自 CRS 原料和干燥用电成本估算约 5.46 美元 kg-1说明该路线在性能之外兼具环境和经济可行性。4. 总结展望这项工作提供了一条兼具材料设计和过程评价意识的催化剂制备路线利用 FJH 的瞬时高温把钴富渣和废咖啡渣转化为金属-碳协同催化剂实现高效 PMS 活化、宽 pH 适应、低金属浸出和连续流验证。其创新点不仅在于 15 min 内完全去除 RhB更在于把固废资源化、自由基/非自由基协同机制、LCA 和成本核算纳入同一研究框架。未来进一步走向实际应用仍需在真实复杂废水、长期运行稳定性、催化剂规模化制备、金属浸出监管风险和多污染物矿化效率方面开展验证从而判断该 FJH 固废转化策略能否从实验室催化材料拓展为可工程化的水处理技术。论文信息Xiuxiu Zhang, Xingyang Li, Xiaoyan Ma, Bin Cao, Yong Sik Ok, Chongqing Wang,Flash Joule heating synthesis of cobalt/biochar composite for pollutant degradation: insights into reaction mechanism and process evaluation,Chemical Engineering Science,Volume 336,2026,124507,ISSN 0009-2509,https://doi.org/10.1016/j.ces.2026.124507.