Приготовление катализатора Co–Ce–Ru/γ-Al2O3 для деградации родамина B в сточных водах с красителями

Почему грязные красители в воде имеют значение

Яркие ткани, пластики и печатные изделия зависят от синтетических красителей, но остаточные сточные воды с красителями чрезвычайно трудно очистить и они могут длительное время сохранять окраску в реках и озёрах. В этом исследовании предложен новый способ почти полного удаления ярко‑красного красителя родамина B из воды с помощью специально разработанного твердого катализатора в сочетании с окислителем. Работа важна тем, что указывает на практичный метод обработки стойких промышленных сточных вод без создания новых экологических проблем.

Новый помощник для очистки стойких красильных сточных вод

Исследователи сосредоточились на группе методов, известных как процессы усовершенствованного окисления, которые опираются на очень реактивные формы кислорода и серы для разрушения сложных соединений. Широко используемый окислитель пероксомоносульфат может быть активирован некоторыми металлами с образованием мощных радикалов, атакующих молекулы красителя. Кобальт особенно эффективен в этой роли, но растворённый кобальт в воде является токсичным тяжелым металлом. Чтобы кобальт работал интенсивно, оставаясь при этом закреплённым, команда нанесла его на пористую опорную поверхность γ‑алюмины и затем улучшила базовый состав, добавив следовые количества редкоземельного церия и благородного металла рутения.

Создание более умного твердого катализатора

Учёные приготовили несколько вариантов катализатора, пропитывая алюмину растворами солей металлов и затем прогревая при контролируемых температурах. Один образец содержал только кобальт, другой сочетал кобальт и церий, а самая продвинутая версия включала кобальт, церий и рутений совместно. Детальные испытания показали, что модернизированный катализатор имеет большую внутреннюю поверхность с множеством средних пор, обеспечивающих множество точек, где краситель и окислитель могут сталкиваться. Металлы были равномерно распределены по поверхности, а присутствие церия и рутения помогало сохранять кобальт в очень мелких кластерах, улучшало термическую стабильность и создавалo кислородные вакансии, благоприятствующие быстрым реакциям. В целом структура обеспечивала больше активных центров при меньшем расходе кобальта.

Испытание катализатора на практике

Чтобы проверить эффективность материалов в реальных условиях, команда обрабатывала воду с содержанием родамина B, близким к практическим концентрациям. В каждом эксперименте они смешивали раствор красителя с определённым количеством катализатора, позволяли красителю адсорбироваться на поверхности, а затем добавляли пероксомоносульфат. Отслеживая исчезновение цвета во времени методом спектрофотометрии, исследователи оценивали скорость разложения красителя. Катализатор на основе кобальта, церия и рутения почти полностью устранял окраску, достигая практически 100‑процентного обесцвечивания примерно за 20–30 минут при комнатной температуре и умеренных дозах катализатора и окислителя. Реакция следовала простому кинетику первого порядка, то есть скорость зависела от оставшейся концентрации красителя, а рассчитанный период полураспада составил всего несколько минут.

Как происходит очистка

Специальные магнитные измерения выявили, какие короткоживущие частицы участвовали в процессе. Катализатор в сочетании с пероксомоносульфатом генерировал как сульфатные радикалы, так и гидроксильные радикалы — высокореактивные виды серы и кислорода, способные разрушать сложные структуры красителей. Наблюдались также признаки безрадикального пути с участием более селективной формы кислорода. Кобальт на поверхности катализатора циклически менял степень окисления, постоянно активируя свежие молекулы окислителя. Церий способствовал образованию кислородных вакансий и смещал соотношение форм кислорода на поверхности, а рутений улучшал дисперсию и стабильность. Путём регулировки количества катализатора, окислителя и температурных условий исследователи определили режимы работы, обеспечивающие быструю обработку без перерасхода реагентов или взаимного гашения радикалов.

Долговечность и экологическая безопасность

Для реального применения катализатор должен выдерживать многократные циклы очистки и не выделять значительных количеств металлов в обработанную воду. Команда использовала катализатор Co–Ce–Ru четырежды при тех же условиях. Хотя наблюдалось небольшое снижение эффективности, после четвёртого прокачивания он всё ещё удалял более 90 % красителя, а микроскопические изображения показывали лишь незначительный износ поверхности. Измерения растворённых металлов подтвердили, что кобальт и добавленные вспомогательные металлы в основном оставались в твердой фазе, при этом концентрация кобальта была значительно ниже 1,0 мг/л — распространённого предела сброса. Другие вещества в воде, такие как обычные соли и некоторые ионы металлов, оказывали лишь умеренное влияние на процесс, а метод работал в широком диапазоне pH.

Что это значит для чистой воды

Проще говоря, исследование показывает, что тщательная инженерная разработка твердого катализатора позволяет промышленности использовать очистительную силу сильных окислителей для удаления стойких молекул красителей при снижении доли токсичного металла и избегании значительного вторичного загрязнения. Материал Co–Ce–Ru на алюмине эффективно активирует пероксомоносульфат, выдерживает многократное использование и минимизирует утечку металлов, что делает его перспективным инструментом для обработки ярких, но устойчивых сточных вод с красителями, чтобы они больше не загрязняли окружающую среду.

Цитирование: Zhang, Y., Zhang, E., Deng, J. et al. Preparation of Co–Ce–Ru/γ-Al₂O₃ catalyst for degradation rhodamine B in dye wastewater. Sci Rep 16, 15093 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42905-1

Ключевые слова: сточные воды с красителями, родамин B, усовершенствованное окисление, катализатор на основе кобальта, пероксомоносульфат