ОПТИМИЗАЦИЯ ПЕРОКСИДНОГО ОКИСЛЕНИЯ ФЕНОЛА В ВОДНЫХ РАСТВОРАХ В ПРИСУТСТВИИ КАТАЛИЗАТОРА MnFe2O4/ЦЕЛЛЮЛОЗА
Аннотация
В работе изучен подход математического планирования к проведению оптимизации процесса пероксидного окисления фенола в водной среде в присутствии катализатора MnFe2O4/CMC (СМС – гидролизованная микрокристаллическая целлюлоза), демонстрирующего высокий потенциал в разложении органических загрязнителей. Использование метода поверхностного отклика при оптимизации условий находит все более широкое использование благодаря: 1) возможности детально подобрать условия оптимизации эксперимента,
2) определить ключевые факторы, определяющие конверсию субстрата в композиции условий, 3) оптимизировать количество экспериментов, необходимых для подробного установления оптимальных условий. В данной работе был проведен синтез и физико-химические исследования образца MnFe2O4/CMC для окислительной деструкции фенола в водных растворах. Согласно данным РФА основной фазой всех образцов являлся твердый раствор замещения MnFe2O4, величина удельной поверхности 147 м2∙г-1, удельный объем пор 0,31 см3∙г-1, средний диаметр пор 8,46 нм, рН(точки нулевого заряда) = 6,8, рН(суспензии)=7,3. В работе изучено влияние следующих параметров: загрузка катализатора, время реакции, температура смеси, концентрация пероксида водорода. Параметры эксперимента варьировались в диапазоне: концентрация пероксида водорода в реакционной смеси 0,2-2 моль∙л-1, температура реакционной смеси 30-70 °С, загрузка катализатора 15-60 мг, время проведения реакции 20-180 мин. Составлена матрица экспериментов 24 основных и 6 для реплицирования данных в центральной точке. Были построенные поверхности отклика конверсии от задаваемых факторов. Показано, что влияние загрузки катализатора является незначительным фактором в оптимизации процесса. Получены оптимальные условия: концентрация пероксида водорода 1,34 моль∙л-1, загрузка катализатора 15 мг, температура реакции 60 °С, время эксперимента 180 мин, которые были подтверждены контрольным экспериментом при трехкратной воспроизводимости.
Для цитирования:
Гуровский В.В., Перебейнос А.А., Мищенко Т.И., Трегубова К.В., Громов Н.В. Оптимизация пероксидного окисления фенола в водных растворах в присутствии катализатора MnFe2O4/целлюлоза. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2025. Т. 68. Вып. 4. С. 100-109. DOI: 10.6060/ivkkt.20256804.7112.
Литература
Ministry of Natural Re-sources of Russia M. and M. V. L. On the state and protection of the environment of the Russian Federation in 2022. 2023. V. N. P. 686.
Michałowicz J., Duda W. Phenols - sources and toxicity. Polish J. Environ. Stud. 2007. V. 16. P. 347-362.
Benhamed I., Barthe L., Kessas R., Delmas H., Julcour C. Improvement of (transition metal-modified) activated carbon regeneration by H(2)O(2)-promoted catalytic wet air oxidation. Environ. Technol. 2018. V. 39. N 21. P. 2761-2770. DОI: 10.1080/09593330.2017.1365942.
Saleh T.A., Adio S.O., Asif M., Dafalla H. Statistical analysis of phenols adsorption on diethylenetriamine-modified activated carbon. J. Clean. Prod. 2018. V. 182. P. 960-968. DОI: 10.1016/j.jclepro.2018.01.242.
Safwat S. M., Medhat M., Abdel-Halim H. Adsorption of phenol onto aluminium oxide and zinc oxide: A comparative study with titanium dioxide. Sep. Sci. Technol. 2019. V. 54. N 17. P. 2840-2852. DОI: 10.1080/01496395.2018.1549572.
Alkaram U.F., Mukhlis A.A., Al-Dujaili A.H. The re-moval of phenol from aqueous solutions by adsorption us-ing surfactant-modified bentonite and kaolinite. J. Hazard. Mater. 2009. V. 169. N 1. P. 324-332. DОI: 10.1016/j.jhazmat.2009.03.153.
Rafiei B., Naeimpoor F., Mohammadi T. Bio-film and bio-entrapped hybrid membrane bioreactors in wastewater treatment: Comparison of membrane fouling and removal efficiency. Desalination. 2014. V. 337. P. 16-22. DОI: 10.1016/j.desal.2013.12.025.
Moussavi G., Ghodrati S., Mohseni-Bandpei A. The bio-degradation and COD removal of 2-chlorophenol in a granular anoxic baffled reactor. J. Biotechnol. 2014. V. 184. P. 111-117. DОI: 10.1016/j.jbiotec.2014.05.010.
Jalayeri H., Doulati Ardejani F., Marandi R. Rafiee pur S. Biodegradation of phenol from a synthetic aqueous system using acclimatized activated sludge. Arab. J. Geosci. 2013. V. 6. N 10. P. 3847-3852. DОI: 10.1007/s12517-012-0643-1.
Ding Y., Zhu L., Wang N., Tang H. Sulfate radicals in-duced degradation of tetrabromobisphenol A with na-noscaled magnetic CuFe2O4 as a heterogeneous catalyst of peroxymonosulfate. Appl. Catal. B: Environ. 2013. V. 129. P. 153-162. DОI: 10.1016/j.apcatb.2012.09.015.
Roonasi P., Nezhad A.Y. A comparative study of a series of ferrite nanoparticles as heterogeneous catalysts for phe-nol removal at neutral pH. Mater. Chem. Phys. 2016. V. 172. P. 143-149. DОI: 10.1016/j.matchemphys.2016.01.054.
Mohite R.G., Garg A. Performance of heterogeneous catalytic wet oxidation for the removal of phenolic com-pounds: Catalyst characterization and effect of pH, temperature, metal leaching and non-oxidative hydrothermal reaction. J. Environ. Chem. Eng. 2017. V. 5. N 1. P. 468-478. DОI: 10.1016/j.jece.2016.12.024.
Mohamad Said K.A., Ismail A.F., Abdul Karim Z., Abdullah M.S., Hafeez A. A review of technologies for the phenolic compounds recovery and phenol removal from wastewater. Process. Saf. Environ. Prot. 2021. V. 151. P. 257-289. DОI: 10.1016/j.psep.2021.05.015.
Medvedeva I.V., Medvedeva O.M., Studenok A.G., Studenok G.A., Tseytlin E.M. New composite materials and processes for chemical, physico-chemical and biochemical technologies of water purification. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2023. V. 66. N 1. P. 6-27. DОI:10.6060/ivkkt.20236601.6538.
Kulebiakina A.I., Dubrovina V.N., Kireev S.G., Ivantsova N.A., Shashkovskiy S.G. On evaluation of the efficiency of the process of advanced oxidation. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2022. V. 65. N 11. P. 104-110. DОI: 10.6060/ivkkt.20226511.6655.
Stoia M., Muntean C., Militaru B. MnFe2O4 nanoparticles as new catalyst for oxidative degradation of phenol by peroxydisulfate. J. Environ. Sci. 2017. V. 53. P. 269-277. DОI: 10.1016/j.jes.2015.10.035.
Soufi A., Hajjaoui H., Elmoubarki R., Abdennouri M., Qourzal S., Barka N. Spinel ferrites nanoparticles: Syn-thesis methods and application in heterogeneous Fenton oxidation of organic pollutants – A review. Appl. Surf. Sci. Adv. 2021. V. 6. P. 100145. DОI: 10.1016/j.apsadv.2021.100145.
Tehrani-Bagha A.R., Gharagozlou M., Emami F. Catalytic wet peroxide oxidation of a reactive dye by magnetic copper ferrite nanoparticles. J. Environ. Chem. Eng. 2016. V. 4. N 2. P. 1530-1536. DОI: 10.1016/j.jece.2016.02.014.
Li M., Gao Q., Wang T., Gong Y.-S., Han B., Xia K.-S., Zhou C.-G. Solvothermal synthesis of MnxFe3−xO4 nano-particles with interesting physicochemical characteristics and good catalytic degradation activity. Mater.Des. 2016. V. 97. P. 341-348. DОI: 10.1016/j.matdes.2016.02.103.
Wang G., Zhao D., Kou F., Ouyang Q., Chen J., Fang Z. Removal of norfloxacin by surface Fenton system (MnFe2O4/H2O2): Kinetics, mechanism and degradation pathway. Chem. Eng. J. 2018. V. 351. P. 747-755. DОI: 10.1016/j.cej.2018.06.033.
López-Ramón M. V., Álvarez M. A., Moreno-Castilla C., Fontecha-Cámara M. A., Yebra-Rodríguez Á., Bailón-García E. Effect of calcination temperature of a copper ferrite synthesized by a sol-gel method on its structural characteristics and performance as Fenton catalyst to remove gallic acid from water. J. Colloid. Interface Sci. 2018. V. 511. P. 193-202. DОI: 10.1016/j.jcis.2017.09.117.
Moreno-Castilla C., López-Ramón M.V., Fontecha-Cámara M.Á., Álvarez M.A., Mateus L. Removal of Phenolic Compounds from Water Using Copper Ferrite Nanosphere Composites as Fenton Catalysts. Nanomaterials. 2019. V. 9. N 6. P. 901. DOI: 10.3390/nano9060901.
Zhan Y., Meng Y., Li W., Chen Z., Yan N., Li Y., Teng M. Magnetic recoverable MnFe2O4/cellulose nanocrystal composites as an efficient catalyst for decomposition of methylene blue. Ind. Crops Prod. 2018. V. 122. P. 422-429. DОI: 10.1016/j.indcrop.2018.06.043.
Bossa N., Carpenter A.W., Kumar N., de Lannoy C.-F., Wiesner M. Cellulose nanocrystal zero-valent iron nano-composites for groundwater remediation. Environ. Sci.: Nano. 2017. V. 4. N 6. P. 1294-1303. DОI: 10.1039/C6EN00572A.
Wu X., Lu C., Zhang W., Yuan G., Xiong R., Zhang X. A novel reagentless approach for synthesizing cellulose nanocrystal-supported palladium nanoparticles with enhanced catalytic performance. J. Mater. Chem. A. 2013. V. 1. N 30. P. 8645-8652. DОI: 10.1039/C3TA11236E.
Li G., Li Y., Wang Z., Liu H. Green synthesis of palladium nanoparticles with carboxymethyl cellulose for degra-dation of azodyes. Mater. Chem. Phys. 2017. V. 187. P. 133-140. DОI: 10.1016/j.matchemphys.2016.11.057.
Tregubova K.V., Mishchenko T.I., Gurovsky V.V., Yatsenko D.A., Gromov N.V. Utilization of methylene blue by liquid-phase peroxide oxidation in the presence of catalysts based on transition metal oxides and cellulose. Journal of Adj. chemistry. 2023. V. 96. N 5. P. 488-497. DOI: 10.1134/S1070427223050063.
Karyab H., Ghasemi M., Ghotbinia F., Nazeri N. Efficiency of chitosan nanoparticle with polyaluminum chlo-ride in dye removal from aqueous solutions: Optimization through response surface methodology (RSM) and central composite design (CCD). Int. J. Biolog. Macromol. 2023. V. 249. P. 125977. DОI: 10.1016/j.ijbiomac.2023.125977.
Soleimani H., Sharafi K., Amiri Parian J., Jaafari J., Ebrahimzadeh G. Acidic modification of natural stone for Remazol Black B dye adsorption from aqueous solution- central composite design (CCD) and response surface methodology (RSM). Heliyon. 2023. V. 9. N 4. P. e14743. DОI: 10.1016/j.heliyon.2023.e14743.
Cheng Z., Li S., Nguyen T.T., Gao X., Luo S., Guo M. Biochar loaded on MnFe2O4 as Fenton catalyst for Rho-damine B removal: Characterizations, catalytic performance, process optimization and mechanism. Colloids Surf. A: Physicochem. Eng. Asp. 2021. V. 631. P. 127651. DОI: 10.1016/j.colsurfa.2021.127651.
Deng J., Xu M., Qiu C., Chen Y., Ma X., Gao N., Li X. Magnetic MnFe2O4 activated peroxymonosulfate processes for degradation of bisphenol A: Performance, mechanism and application feasibility. Appl. Surf. Sci. 2018. V. 459. P. 138-147. DОI: 10.1016/j.apsusc.2018.07.198.
Ghasempur S., Torabi S.F., Ranaei-Siadat S.O., Jalali-Heravi M., Ghaemi N., Khajeh K. Optimization of pe-roxidase-catalyzed oxidative coupling process for phenol removal from wastewater using response surface methodology. Environ. Sci. Technol. 2007. V. 41. N 20. P. 7073-7079. DОI: 10.1021/es070626q.
Ikonnikova K.V., Ikonniko-va L.F., Minakova T.S., Sarkisov Yu.S. Theory and Practice of pH-Metric Determination of Acidic/Basic Properties of the Surface of Solids. Tomsk: Izd. Tomsk. Politekh. Univ. 2011. 85 p. (in Russian).
