Co(x)/γ-Al2O3非均相催化剂活化过氧乙酸处理亚甲基蓝废水的研究

doi:10.7503/cjcu20250377

高等学校化学学报 ›› 2026, Vol. 47 ›› Issue (8): 20250377.doi: 10.7503/cjcu20250377

Co(x)/γ-Al₂O₃非均相催化剂活化过氧乙酸处理亚甲基蓝废水的研究

黄诗雨¹, 姜宏斌¹^,³(), 刘贺然¹^,², 代文臣¹^,³, 徐晓晨³, 陈捷³, 杨光¹, 杨凤林³

^1.沈阳理工大学环境与化学工程学院, 辽宁省废水治理技术重点实验室, 沈阳 110158
^2.中海石油华鹤煤化有限公司, 鹤岗 154100
^3.大连理工大学环境学院, 工业生态与环境工程教育部重点实验室, 大连 116024

收稿日期:2025-12-15 出版日期:2026-08-10 发布日期:2026-04-03
通讯作者: 姜宏斌 E-mail:jianghb@sylu.edu.cn
基金资助:
辽宁省教育厅高校基本科研项目(青年项目)(LJKQZ20222300);辽宁省自然科学基金博士启动基金项目(2024-BS-112)

Study on Co(x)/ γ⁃Al₂O₃ Heterogeneous Catalyst Activation of Peracetic Acid for Treating Methylene Blue Wastewater

HUANG Shiyu¹, JIANG Hongbin¹^,³(), LIU Heran¹^,², DAI Wenchen¹^,³, XU Xiaochen³, CHEN Jie³, YANG Guang¹, YANG Fenglin³

^1.Key Laboratory of Wastewater Treatment Technology of Liaoning Province，School of Environmental and Chemical Engineering，Shenyang Ligong University，Shenyan 110159，China
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^3.Key Laboratory of Industrial Ecology and Environmental Engineering，Ministry of Education，School of Environmental Science and Technology，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China

Received:2025-12-15 Online:2026-08-10 Published:2026-04-03
Contact: JIANG Hongbin E-mail:jianghb@sylu.edu.cn
Supported by:
the Natural Science Foundation of Liaoning Province, China(2024-BS-112);the Scientific Research Fund of Liaoning Provincial Education Department, China(2019020171-JH1/103-04)

1. ESM to 20250377.pdf(1219KB)

摘要/Abstract

摘要：

活化过氧乙酸(PAA)高级氧化技术是一种高效、清洁的水污染处理方法, 有望成为解决水体中亚甲基蓝污染的合理方案. 然而, 现有研究主要围绕活化PAA机理开展, 对如何提高催化材料的实际应用性缺乏深入讨论, 制约了活化PAA技术的工程化应用. 本文报道了一类新型钴基非均相催化剂Co(x)/γ-Al₂O₃, 在最佳浸渍时间(12 h)可实现PAA的高效活化, 对10 mg/L亚甲基蓝废水的去除率可达99.6%. 与均相的钴离子(Co²⁺)活化体系相比, Co(x)/γ-Al₂O₃活化体系可节省约25%的PAA投加量. 同时, 该催化剂还具有较宽的pH适应范围、较强的HCO₃^-耐受能力以及低于10 μg/L的超低金属溶出浓度, 其性能、稳定性以及使用寿命均优于传统的PAA活化材料. 表面化学表征与理论计算结合表明, Co(x)/γ-Al₂O₃的催化活性源于催化剂表面Co²⁺/Co³⁺循环, 该过程中所产生的乙酰基(过)氧基自由基[CH₃C(O)O·和CH₃C(O)OO·]是攻击亚甲基蓝的主要反应物种. PAA活化主要发生在Co位点上, 其在Co₃O₄(311)平面具有较高的吸附能(1.00 eV)和d-带中心(1.55 eV), 可以增加PAA在反应平面上的吸附, 促进电荷转移, 从而增强Co(x)/γ-Al₂O₃对PAA的活化能力. 综上所述, Co(x)/γ-Al₂O₃催化剂为活化PAA工艺在亚甲基蓝废水处理领域的实际应用提供了一种可持续且高效的解决方案.

关键词: 活化过氧乙酸, 钴基催化剂, 亚甲基蓝废水, 有机自由基, 密度泛函理论

Abstract:

The activated peracetic acid（PAA） advanced oxidation technology is a highly efficient and eco-friendly water pollution treatment strategy， which is expected to serve as a viable solution for addressing methylene blue contamination in water bodies. However， existing studies have primarily focused on the mechanism of PAA activation， while lacking in-depth discussions on how to improve the practical applicability of catalytic materials. This research gap has restricted the engineering application of activated PAA technology. A new type of cobalt based heterogeneous catalyst Co（x）/γ-Al₂O₃ was developed in this study. With an optimal impregnation time of 12 h， this catalyst enables efficient activation of PAA， achieving a removal rate of 99.6% for 10 mg/L methylene blue wastewater. Compared with the homogeneous cobalt ion（Co²⁺） activation system， the Co（x）/γ-Al₂O₃ activation system can reduce the dosage of PAA by approximately 25%. Meanwhile， this catalyst exhibits a wide pH adaptation range， strong tolerance to HCO₃^-， and an ultra-low metal leaching concentration of less than 10 μg/L. Its overall performance， stability， and service life are all superior to those of conventional PAA activated materials. Combined analyses of surface chemical characterization and theoretical calculations demonstrate that the catalytic activity of Co（x）/γ-Al₂O₃ originates from the Co²⁺/Co³⁺ cycle on the catalyst surface. The acetyl（per）oxy radicals［CH₃C（O）O· and CH₃C（O）OO·］ generated during this process are identified as the primary reactive species responsible for degrading methylene blue. The activation of PAA mainly occurs at the Co active sites， which exhibit a high adsorption energy of 1.00 eV and a d-band center of 1.55 eV on the Co₃O₄（311） plane. This characteristic enhances the adsorption of PAA on the reaction interface， facilitates charge transfer， and thereby strengthens the PAA activation capability of Co（x）/γ-Al₂O₃. In conclusion， the Co（x）/γ-Al₂O₃ catalyst provides a sustainable and highly efficient solution for the practical application of the activated PAA process in the treatment of methylene blue wastewater.

Key words: Peracetic acid activation（PAA）, Cobalt based catalyst, Methylene blue（MB） wastewater, Organic radical, Density functional theory

中图分类号:

O643.32⁺2

TrendMD:

黄诗雨, 姜宏斌, 刘贺然, 代文臣, 徐晓晨, 陈捷, 杨光, 杨凤林. Co(x)/γ-Al₂O₃非均相催化剂活化过氧乙酸处理亚甲基蓝废水的研究. 高等学校化学学报, 2026, 47(8): 20250377.

HUANG Shiyu, JIANG Hongbin, LIU Heran, DAI Wenchen, XU Xiaochen, CHEN Jie, YANG Guang, YANG Fenglin. Study on Co(x)/ γ⁃Al₂O₃ Heterogeneous Catalyst Activation of Peracetic Acid for Treating Methylene Blue Wastewater. Chem. J. Chinese Universities, 2026, 47(8): 20250377.

图/表 14

Fig.1 SEM images of γ⁃Al2O3 support(A), Co(6)/γ⁃Al2O3(B), Co(12)/γ⁃Al2O3(C) and Co(18)/γ⁃Al2O3(D)

Fig.2 N2 adsorption⁃desorption isotherms(A) and pore size distributions(B) of Co(x)/γ⁃Al2O3 series catalysts supported on γ⁃Al2O3

Table 1 Comparison of BET specific surface area and pore structure between γ -Al2O3 and Co(x)/ γ -Al2O3 series catalysts

Sample	S_BET/（m²∙g^-1）	Pore volume/（cm³∙g^-1）	Average pore size/nm
γ⁃Al₂O₃	226.531	0.416	3.753
Co（6）⁃Al₂O₃	259.932	0.484	6.268
Co（12）⁃Al₂O₃	253.194	0.482	6.281
Co（18）⁃Al₂O₃	256.040	0.497	6.290

Fig.3 XRD spectra of γ⁃Al2O3 support and Co(x)/γ⁃Al2O3 series catalysts

Fig.4 Comparison of degradation efficiency of methylene blue in different systems（A） PAA， Co2+， H2O2 system alone；（B） separate γ-Al2O3 and Co（x）/γ-Al2O3 systems；（C） Co2+， γ-Al2O3， and Co（x）/γ-Al2O3 activated H2O2 system；（D） Co2+， γ-Al2O3 and Co（x）/γ-Al2O3 activated PAA system.

Fig.5 Effect of PAA dosage on the degradation efficiency of methylene blue in Co2+/PAA system(A) and Co(12)/γ⁃Al2O3/PAA system(B), as well as the effect of catalyst dosage on the degradation efficiency of methylene blue in Co2+/PAA system(C) and Co(12)/γ⁃Al2O3/PAA system(D)

Fig.6 Effect of initial pH on Co2+/PAA(A) and Co(12)/γ⁃Al2O3/PAA systems(B)

Fig.7 Effect of HCO3- concentration on Co2+/PAA(A) and Co(12)/γ⁃Al2O3/PAA systems(B), as well as the effect of Cl- concentration on Co2+/PAA(C) and Co(12)/γ⁃Al2O3/PAA systems(D)

Fig.8 Reusability of Co(12)/γ⁃Al2O3 in the degradation of methylene blue during activation process

Table 2 Test results of cobalt ion concentration in repetitive experiments

Repeated experiment stage	Total cobalt ion concentration/（μg∙L^-1）	Repeated experiment stage	Total cobalt ion concentration/（μg∙L^-1）
1	5	4	2
2	3	5	3
3	4

Fig.9 XPS spectra of Co(12)/γ⁃Al2O3 catalyst Co2p (A) and O1s (B)

Table 3 XPS results of Co(12)/γ-Al2O3 catalyst

Material	Percentage（%）
Material	Co²⁺	Co³⁺	O_lat	O_ads
Co（12）/γ-Al₂O₃	46.8	53.2	78.8	21.2
Co（6）/γ-Al₂O₃	37.6	62.4	67.4	32.6

Fig.10 Effect of different quenchers on the Co(12)/γ⁃Al2O3/PAA system(A), ESR spectra of free radical DMPO adducts in different systems(B), free radical DMPO adducts in different systems under the influence of quenchers(C), and R—O· and DIPPMPO adducts in different systems(D)

Fig.11 PAA molecular structure(A), calculation result model of PAA molecule adsorption on γ⁃Al2O3(111)(B), calculation result model of PAA molecule adsorption on Co3O4(311)(C), adsorption energy of PAA molecules on γ⁃Al2O3(111) and Co3O4(311)(D), d⁃band center energy diagram of γ⁃Al2O3(111)(E) and Co3O4(F)

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Co(x)/γ-Al₂O₃非均相催化剂活化过氧乙酸处理亚甲基蓝废水的研究

Study on Co(x)/ γ⁃Al₂O₃ Heterogeneous Catalyst Activation of Peracetic Acid for Treating Methylene Blue Wastewater

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