КОМПОЗИТНЫЙ МАТЕРИАЛ С ВЫСОКОЙ АДСОРБЦИОННО-КАТАЛИТИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТЬЮ НА ОСНОВЕ БИОУГЛЯ ИЗ ОПИЛОК БЕРЕЗЫ ПОВИСЛОЙ (BETULA PENDULA)
Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
В настоящее время актуальной задачей является поиск новых способов очистки сточных вод на основе дешевых экологичных материалов. Композитные материалы на основе биоугольной матрицы с наноразмерными модификаторами позволяют решать задачи повышения эффективности адсорбции поллютантов и фотокаталитической очистки водных сред. Методом цитратного горения синтезированы наноразмерный феррит кобальта со структурой шпинели CoFe2O4 и композит на основе биоугля с наночастицами феррита кобальта CoFe2O4@C. Уголь для композита получен карбонизацией березовых опилок при температуре 600 ⁰С. Методом рентгеновской дифрактометрии подтверждено формирование наноразмерных кристаллитов шпинели CoFe2O4 во всех образцах. Средний размер наночастиц уменьшается от 31 ± 4 нм для чистого феррита кобальта до 17 ± 2 нм для композита на основе биоугля. Методом ИК-спектроскопии подтверждено формирование фазы кобальтовой шпинели и наличие большого количества поверхностных функциональных групп (–OH, –С=O, –C=C, –CH3) в композите. Проведен анализ адсорбционно-каталитической активности CoFe2O4 и CoFe2O4@C в отношении очистки водных растворов от 2,4-динитрофенола (ДНФ). Установлена высокая эффективность очистки от ДНФ наноразмерным ферритом кобальта (99.95%) и композитом на основе биоугля (96.84%) за счет сорбции на пористых материалах и фотокаталитической деградации токсиканта в условиях УФ облучения. Результаты исследования подтверждают, что композиты на основе биоугля из отходов деревообрабатывающей промышленности являются перспективными сорбентами/катализаторами для очистки сточных вод бумажной, фармацевтической и текстильной промышленности от органических поллютантов. Благодаря магниточувствительности композита за счет наночастиц CoFe2O4 значительно упрощается выделение сорбента/катализатора внешним магнитным полем с целью последующей регенерации и повторного использования.

Ключевые слова:
пиролиз, биоуголь, феррит кобальта, композит, сорбция, фотокатализ
Список литературы

1. Fito J., Van Hulle S.W.H. Wastewater reclamation and reuse potentials in agriculture: towards environmental sustainability. Environment, Development and Sustainability. 2021; 23: 2949–2972. DOI: https://doi.org/10.1007/s10668-020-00732-y.

2. Du Plessis A. Persistent degradation: global water quality challenges and required actions. One Earth. 2022; 5: 129–131. DOI: https://doi.org/10.1016/j. oneear.2022.01.005.

3. Rong W., Zhipeng T., Chenyang Z., Wei S., Zhuo C., Xin W., Mengqi L. Research progress on heavy metal wastewater treatment in the integrated circuit industry: From pollution control to resource utilization. Separation and Purification Technology. 2025; 376(2): 134033. DOI: https://doi.org/10.1016/j.seppur.2025.134033.

4. Ruzgar A., Karatas Y., Yurderi M., Sener L., Gulcan M., ZahmakiranM.Synthesis, characterization, and determination of the catalytic roles of tungsten (VI) oxide-supported Pd (0) nanoparticles in the reduction of nitroaromatic pollutants. Materials Chemistry and Physics. 2025; 346: 131368. DOI: https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2025.131368.

5. Gautam N., Deka D., Das G. Efficient adsorption of nitroaromatic compounds from reusable hierarchical porous biochar emanates from the Ananas comosus crown and Citrus limetta fibers. Chemical Engineering Science. 2025; 308: 121408. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ces.2025.121408.

6. Sangamithirai D., Gopi Krishna K.R., Pandurangan A. Investigating the synergistic effect of RuO2 nanoparticle-decorated V2O5 nanoflakes for sensitive detection of 2,4-dinitrophenol and 2,4-dinitrotoluene. Journal of Electroanalytical Chemistry. 2024; 970: 118554. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2024.118554.

7. Meira A.C.R., Mezalira D.Z., Tondo D.W., Bail A., Arizaga G.G.C., Domingos J.B., Giona R.M. Efficient and versatile catalyst for nitrobenzene compounds reduction based on magnetite coated with semi-metallic bismuth. Applied Surface Science. 2025; 684: 161866. DOI: https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2024.161866.

8. Fito J., Kefeni K.K., Nkambule T.I. The potential of biocah-photocatalytic nanocomposites for removal of organic micropollutions from wastewater. Science of The Total Environment. 2022; 829: 154648. DOI: https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.154648.

9. Soifi A., Hajjaoui H., Elmoubarki R., Abdennouri M. Spinel ferrites nanoparticles: Synthesis methods and application in heterogeneous Fenton oxidation of organic pollutants. Applied Surface Science Advances. 2021; 6: 100145.DOI: https://doi.org/10.1016/j.apsadv.2021.100145.

10. Томина Е.В., Ходосова Н.А., Синельников А.А., Жабин А.В., Куркин Н.А., Новикова Л.А. Влияние метода формирования композита наноразмерный CoFe2O4/нонтронит на его структуру и свойства. Конденсированные среды и межфазные границы. 2022; 24(3): 379–386. DOI:https://doi.org/10.17308/kcmf.2022.24/9861.

11. Jarariya R., Suresh K. Spinel ferrite nanomaterials - MgFe2O4 - Synthesis by appropriate microwave solution combustion (Msc) method of visible light–responsive photocatalyst for Rb21 dye degradation. Materials Today: Proceedings. 2022; 34: 104576. DOI: https://doi.org/10.1016/j.matpr.2022.07.393.

12. Gerbaldo M.V., Peralta M.F., Marchetti S.G., Mendoza S.M., Elias V.R., Crivello M.E., Mendieta S.N. Innovative spinel ferrites for efficient photocatalytic mineralization of carbamazepine in wastewater. Applied Surface Science. 2025; 698: 163132. DOI: https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2025.163132.

13. Sharma A., Basant Lal B., Somvanshi A., Suman, Alsayari A., Wahab Sh., Lakshmaiya N., Ravi K., Jasrotia R.Advanced functional spinel ferrite based nanomaterials for targeted wastewater treatment. Journal of Molecular Structure. 2025; 1351(2): 144284. DOI: https://doi.org/10.1016/j.molstruc.2025.144284.

14. Tomina E.V., Doroshenko A.V., Novikova L.A., Tyupina E.A., Kamzin A.S., Zhuzhukin K.V., Kopylov A.V. Synthesis, characterization, catalytic activity and adsorption properties of new nanosized cobalt-magnesium spinel ferrites for water treatment processes. Molecular Catalysis. 2025; 582: 115178. DOI: https://doi.org/10.1016/j.mcat.2025.115178.

15. Xia L., Li X., Wei Z., Liu A., Chen J., Shang J. Biochar-mediated electron transfer in a spinel ferrite catalyst boosts peracetic acid activation for water decontamination. Chemical Engineering Journal. 2025; 525: 170068. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.170068.

16. Elaadssi Y., Madigou V., Arab M. Cobalt ferrites CoxFe3-xO4 (x = 1 and x = 1.5) as photocatalysts under simulated sunlight: An experimental study coupled to predictive RSM approach. Surfaces and Interfaces. 2025; 68: 106655. DOI: https://doi.org/10.1016/j.surfin.2025.106655.

17. Hamad H.A., Adel M., Emara M.M., Elsenety M., Mohamed I., Bedir A.G., Gargar Z., Abouelela M.M., Eldeeb N.A., Ibrahim I., Hassan A.A., Abboubi M.E., Amin K.M. Ferrites/carbon allotropes nanocomposites for photocatalytic applications: A review. Coordination Chemistry Reviewsl. 2025; 534: 216537. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ccr.2025.216537.

18. Mao X., Liu Y., Long Sh. Research progress on adsorption mechanisms and regeneration applications of modified biochar for heavy metals in wastewater. Desalination and Water Treatment. 2025; 324: 101399. DOI: https://doi.org/10.1016/j.dwt.2025.101399.

19. Jiang Y., Gao L., Dai J., Xie D.,Li C., Xiong H., Zhang J., Xu Q., Wang J., Tan Y. Enhanced thermal stability and moisture toleration for toluene catalytic decomposition over MnCoOx supported hierarchical porous biochars with CeO2 encapsulation. Journal of Environmental Chemical Engineering. 2025; 13 (2): 115493. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jece.2025.115493.

20. Lu X., Xinlan L., Zhuojun W., Ang L., Jianqiu C., Jingge S. Biochar-mediated electron transfer in a spinel ferrite catalyst boosts peracetic acid activation for water decontamination. Chemical Engineering Journal. 2025; 525: 170068. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.170068.

21. Nguyen T.H., Nguyen X.H., Do T.G., Nguyen L.H. Development of biochar supported NiFe2O4 composite for peroxydisulfate (PDS) activation to effectively removemoxifloxacin from wastewater. Chemical Engineering Journal Advances. 2023; 16: 1005050. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ceja.2023.100550.

22. Dong X., Chu Y., Tong Z., Sun M., Meng D., Yi X., Gao T., Wang M., Duan J. Mechanisms od adsorption and functionalization of biochar for pesticides: A review. Ecotoxicology and Environmental Safety. 2024; 272: 116019. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2024.116019.

23. Ting Y., Zhao W., HaiTao L., Kai Z., JunTao L.,HanMeng L., YanYun L., LiPing A., JuaLin W., Yujie S., Zheng Y., YueXing Z., Huijan W., XueLi C., YongLin C. MFe2O4/biochar composites in persulfate-advanced pxidation process for antibiotic treatment: A mini review. Journal of Water Process Engineering. 2024; 68: 106535. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2024.106535.

24. Mehta D., Pragnesh N.D., Kumar V.V. Toxic crystal violet removal by novel, eco-friendly seablite biochar-ferrite composite: adsorption isotherm, kinetics, and artificial neural network. RSC Advances. 2025; 15 (40): 33189-33208. DOI: https://doi.org/10.1039/d5ra04604a.

25. Bai M., Chai Y., Anwei Chen A., Yuan J. Enhancing cadmium removal efficiency through spinel ferrites modified biochar derived from agricultural waste straw. Journal of Environmental Chemical Engineering. 2022; 11 (1): 109027. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jece.2022.109027.

26. Dong C.D., Chen C.W., Hung C.M. Persulfate activation with rice husk-based magnetic biochar for degrading PAEs in marine sediments. Environ SciPollut Res. 2019; 26: 33781–33790. DOI: https://doi.org/10.1007/s11356-018-2423-2.

27. Chandra S., Jagdale P., Medha I., Tiwari A.K., Bartoli M., De Nino A., Olivito F. Biochar-Supported TiO2-Based Nanocomposites for the Photocatalytic Degradation of Sulfamethoxazole in Water – A Review. Toxics. 2021; 9 (11): 313. DOI: https://doi.org/10.3390/toxics9110313.

28. Katika R.M., BodduS. Advanced photocatalysis with biochar-TiO2 composite for efficient oxidation of Congo red dye. Environ Monit Assess. 2025; 197: 831. DOI: https://doi.org/10.1007/s10661-025-14290-1.

29. Abdu M., Tibebu S., Babaee S., Worku A., Msagati T. A.M., Nure J.F. Optimization of photocatalytic degradation of Eriochrome Black Y from aqueous solution using TiO2-biochar composite. Results of Engineering. 2025; 25: 104036. DOI: https://doi.org/10.1016/j.rineng.2025.104036.

30. Du Y., Ye X., Hui Z., Jiao D., Xie Y., Chen S., Ding J. Synergistic effect of adsorption-photocatalytic reduction of Cr (VI) in wastewater with biochar/TiO2 composite under simulated sunlight illumination. Physical Chemistry Chemical Physics. 2024; 26: 15891-15901. DOI: https://doi.org/10.1039/D4CP01226G.

31. Zhuravleva E.V., Zhuravleva N.V., Mikhailova E.S., Sozinov S.A., Ismagilov Z.R. Study of the granulometric and morphological composition of coal powders. Chemistry for Sustainable Development. 2021; 29: 525–535.DOIhttps://doi.org/10.15372/CSD2021330.

32. Крысанова К.О., Крылова А.Ю., Пудова Я.Д., Борисов А.В. Исследование минеральных компонентов биоуглей из опила, полученных низкотемпературными методами. Уголь.2021; 12(1149):41-43.DOI: https://doi.org/10.18796/0041-5790-2021-12-41-43. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=47428321.

33. Крылова А.Ю., Горлов Е.Г., Шумовский А. В. Получение биоугля пиролизом биомассы. Химия твердого топлива. 2019; 6: 55-64. DOI: https://doi.org/10.1134/S0023117719060100URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=41140404.

34. Basak M., Rahman L.,Ahmed F.,Biswas B., Sharmin N. The use of X-ray diffraction peak profile analysis to determine the structural parameters of cobalt ferrite nanoparticles using Debye-Scherrer, Williamson-Hall, Halder-Wagner and Size-strain plot: Different precipitating agent approach. Journal of Alloys and Compounds. 2022; 895 (2). 162694.DOI:https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.162694.

35. Islam A.M., Ishtiaque S.M., Mamun M. A., S. Hoque S.M. Effect of particle size and composition on local magnetic hyperthermia of chitosan-Mg1−xCoxFe2O4nanohybrid. Frontiers in Chemistry. 2024; 12: 1-23. DOI: https://doi.org/10.3389/fchem.2024.1347423.

36. Nha T.T.N., Toan D.N.,Nam Ph. H., Manh D.H., Khan D.Th., PhongPh.Th. Determine elastic parameters and nanocrystalline size of spinel ferrites MFe2O4 (M = Co, Fe, Mn, Zn) through X-ray diffraction and infrared spectrum: Comparative approach. Journal of Alloys and Compounds. 2024; 996: 174773. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2024.174773.

37. Nguyen T.H., Nguyen X.H., Do T.G., Nguen L.H. Development of biochar supported NiFe2O4 composite for peroxydisulfate (PDS) activation to effectively remove moxifloxacin from wastewater. Chemical Engineering Journal Advances. 2023; 16: 100550. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ceja.2023.100550.

38. Sanaz A., Saeid S., Mahboobeh Z., Hossein S. Development of functionalized biochar composites for enhanced boron adsorption from aqueous solutions. Heliyon. 2025; 11 (2): e41720. DOI: https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2025.e41720.

39. Zhang X., Zhao B., Liu H., Zhao Y., Li L. Effects of pyrolysis temperature on biochar’s characteristics and speciation and environmental risks of heavy metals in sewage sludge biochars. Environmental Technology & Innovation. 2022; 26: 102288.1-11. DOI: https://doi.org/10.1016/j.eti.2022.102288 .

40. Usharani T., Baskar R., Palanisamy B., Myilsamy M. Efficient photocatalytic degradation of 2,4-dinitrophenol over mesoporous Zr and Ce co-doped TiO2 under visible light. Desalination and Water Treatment. 2021; 217: 320-328. DOI: https://doi.org/10.5004/dwt.2021.26901.


Войти или Создать
* Забыли пароль?