Mechanism of Enhancing Ciprofloxacin Degradation via Waste Molasses-modified Red Mud Zero-valent Iron Catalysts in Heterogeneous Electro-Fenton Systems

doi:10.7503/cjcu20250178

Abstract

Abstract:

The extensive use of antibiotics has led to their persistent accumulation in aquatic environments， triggering ecological risks such as antibiotic resistance gene dissemination. Heterogeneous electro-Fenton（_{HEF） technology shows great potential for water pollution treatment as it circumvents iron sludge generation and features simple operation. However， its practical application remains limited by sluggish Fe²⁺/Fe³⁺ cycling kinetics and high costs. This study developed a zero-valent iron-based catalyst（RMM-1∶1） through co-pyrolysis of red mud（RM， an industrial waste） with waste molasses（another industrial byproduct）. Characterization revealed that reductive gases from molasses pyrolysis effectively converted iron oxides in RM to Fe⁰， endowing RMM-1∶1 with high specific surface area and rapid electron transfer capability. The optimized system achieved 93.6% removal of 30 mg/L ciprofloxacin within 60 min（apparent rate constant： 0.1081 L·mg^-1·min^-1） through enhanced Fe²⁺ regeneration and multi-path reactive oxygen species（^·OH， ¹O₂， ^·O₂^-） synergy. Mechanistic studies demonstrated that Fe⁰-mediated electron transfer coupled with non-radical pathways（¹O₂-dominated） synergistically droves pollutant removal. The sustained electron supply from Fe⁰ was identified as the core mechanism overcoming Fe²⁺/Fe³⁺ cycling bottlenecks， while spatiotemporal reactive oxygen species（ROS） synergy ensured degradation efficiency. This work establishes a cost-effective HEF catalytic system that integrates pollutant degradation with solid waste valorization， providing an innovative solution for practical antibiotic pollution control.}

Key words: Red mud, Heterogeneous electro-Fenton technology, Zero-valent iron, Resource utilization, Wastewater purification

CLC Number:

O646

TrendMD:

LIU Chunxiang, LI Chenguang, YANG Wenjing, LI Jialu, LI Yi. Mechanism of Enhancing Ciprofloxacin Degradation via Waste Molasses-modified Red Mud Zero-valent Iron Catalysts in Heterogeneous Electro-Fenton Systems[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2025, 46(11): 20250178.

Figures/Tables 12

References 43

[1]	Chen X.， Wang L.， Sun W.， Yang Z.， Jin J.， Huang Y.， Liu G.， Environ. Sci. Technol.， 2023， 57， 15693—15702
[2]	Rodriguez⁃Mozaz S.， Chamorro S.， Marti E.， Huerta B.， Gros M.， Sànchez⁃Melsió A.， Borrego C. M.， Barceló D.， Balcázar J. L.， Water Res.， 2015， 69， 234—242
[3]	Qi L. Y.， Xiao C. M.， Lu W. Y.， Zhang H.， Zhou Y. J.， Qi J. W.， Yang Y.， Zhu Z. G.， Li J. S.， Sep. Purif. Technol.， 2025， 354（2）， 128758
[4]	Xu L.， Li H.， Mitch W. A.， Tao S.， Zhu D.， Environ. Sci. Technol.， 2019， 53， 710—718
[5]	Liu H. C.， Zou X.， Chen Q. M.， Fan W. J.， Gong Z. J.， Sep. Purif. Technol.， 2022， 297， 121502
[6]	Li J.， Liu Y.， Meng S.， Zhan S.， Sun Y.， Hu W.， Li Y.， ACS EST Water， 2024， 44（12）， 5868—5879
[7]	Savoldi A.， Carrara E.， Graham D. Y.， Conti M.， Tacconelli E.， Gastroenterology， 2018， 155， 1372—1382
[8]	Tang Q.， Wu B.， Huang X.， Ren W.， Liu L.， Tian L.， Chen Y.， Zhang L. S.， Sun Q.， Kang Z.， Ma T.， Zou J. P.， Nat. Commun.， 2024， 15， 9549
[9]	Wang A. L.， Jiang Y.， Yan Y. Q.， Bu L. J.， Wei Z. S.， Spinney R.， Dionysiou D. D.， Xiao R. Y.， Water Res.， 2023， 235， 119838
[10]	Power G.， Gräfe M.， Klauber C.， Hydrometallurgy， 2011， 108， 33—45
[11]	Jovicevic⁃Klug M.， Souza Filho I. R.， Springer H.， Adam C.， Raabe D.， Nature， 2024， 625， 703—709
[12]	Service R. F.， Science， 2020， 369， 910—911
[13]	Kim J.， Coulibaly G. N.， Yoon S.， Assadi A. A.， Hanna K.， Bae S.， Water Res.， 2020， 184， 116171
[14]	Wang Y. S.， Fang W.， Cheng M. Q.， Li W. H.， Cen Q. H.， Li B.， Liu Z. W.， Desalination， 2025， 614， 119202
[15]	Li J.， Chen C.， Zhu K.， Wang X.， J. Taiwan Inst. Chem. E， 2016， 59， 389—394
[16]	Yu J.， Huang X.， He Y.， Tang D.， Huang T.， Liu L.， Wu H.， Peng D.， Zhao D.， Lan K.， Wei Q.， SmartMat， 2023， 4， e1192
[17]	Cho D. W.， Yoon K.， Ahn Y.， Sun Y.， Tsang D. C. W.， Hou D.， Ok Y. S.， Song H.， J. Hazard. Mater.， 2019， 374， 412—419
[18]	Zhang R.， Ma M.， Zhang Q.， Dong F.， Zhou Y.， Appl. Catal. B： Environ. Energy， 2018， 235， 17—25
[19]	Ma D. M.， Yang Y.， Liu B. F.， Xie G. J.， Chen C.， Ren N. Q.， Xing D. F.， Chem. Eng. J.， 2021， 408， 127992
[20]	Guo Z.， Bai G.， Huang B.， Cai N.， Guo P.， Chen L.， J. Hazard. Mater.， 2021， 408， 124802
[21]	Xu K. H.， Lin Q. T.， Fan X. D.， Zheng J. L.， Liu Y. X.， Ma Y. J.， He J.， Chem. Eng. J.， 2023， 460， 141578
[22]	Yoon K.， Cho D. W.， Tsang Y. F.， Tsang D. C. W.， Kwon E. E.， Song H.， Chem. Eng. J.， 2019， 361， 1597—1604
[23]	Li Y.， Wu Z.， Zhao C.， Zhang Y.， Peng D.， Gong Z.， Environ. Technol. Innovation， 2023， 30， 103110
[24]	Lv M.， Li D. Y.， Zhang Z. H.， Logan B. E.， Liu G. H.， Sun M. C.， Dai C. C.， Feng Y. J.， Sci. Total Environ.， 2021， 757， 143717
[25]	Yu J. F.， Feng H. P.， Tang L.， Pang Y.， Zeng G. M.， Lu Y.， Dong H. R.， Wang J. J.， Liu Y. N.， Feng C. Y.， Wang J. J.， Peng B.， Ye S. J.， Prog. Mater. Sci.， 2020， 111， 100654
[26]	Zhou J. H.， Ma F.， Guo H. J.， Su D. L.， Appl. Catal. B： Environ. Energy， 2020， 269， 118784
[27]	Lei Y.， Yu Y.， Lei X.， Liang X.， Cheng S.， Ouyang G.， Yang X.， Environ. Sci. Technol.， 2023， 57， 5433—5444
[28]	Ma D. M.， Wang J.， Feng K.， Liu B. F.， Xie G. J.， Xing D. F.， Chem. Eng. J.， 2022， 446（1）， 136944
[29]	Kazak O.， Eker Y. R.， Akin I.， Bingol H.， Tor A.， J. Environ. Chem. Eng.， 2017， 5， 2639—2647
[30]	Meng S.， Li J.， Wang S.， Zhan S.， Hu W.， Li Y.， Adv. Mater.， 2025， 37， 2420080
[31]	Li X.， Li H.， Li M.， Li C.， Sun D.， Lei Y.， Yang B.， Carbon， 2018， 129， 543—551
[32]	Yang Y.， Xu L.， Wang J.， Chem. Eng. J.， 2021， 425， 131497
[33]	Wang S.， Zhao M.， Zhou M.， Li Y. C.， Wang J.， Gao B.， Sato S.， Feng K.， Yin W.， Igalavithana A. D.， Oleszczuk P.， Wang X.， Ok Y. S.， J. Hazard. Mater.， 2019， 373， 820—834
[34]	Li H.， Shi B.， Fu X.， Zhang H.， Yang H.， J. Environ. Chem. Eng.， 2023， 11， 109998
[35]	Jiang T.， Wang B.， Gao B.， Cheng N.， Feng Q.， Chen M.， Wang S.， J. Hazard. Mater.， 2023， 442， 130075
[36]	Deng F. X.， Li S. X.， Cao Y. L.， Fang M. A.， Qu J. H.， Chen Z. L.， Qiu S.， J. Power Sources， 2020， 466， 228342
[37]	Deng F.， Qiu S.， Olvera⁃vargas H.， Zhu Y.， Gao W.， Yang J.， Ma F.， Electrochim. Acta， 2019， 297， 21—30
[38]	Chai Y.， Qin P.， Zhang J.， Li T.， Dai Z.， Wu Z.， Process Saf. Environ. Prot.， 2020， 143， 76—90
[39]	Jin Y.， Huang P.， Chen X.， Li L. P.， Lin C. Y.， Chen X.， Ding R.， Liu J.， Chen R.， Environ. Pollut.， 2023， 324， 121425
[40]	Liu Y.， Wang P.， Xie L.， Xia Y.， Zhan S.， Hu W.， Li Y.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2024， 63， e202319470
[41]	Li J.， Zheng W.， Meng S.， Wang S.， Zhan S.， Sun Y.， Hu W.， Li Y.， Adv. Funct. Mater.， 2024， 35， 2417538
[42]	Cao C.， Guo Y.， Chen D.， Cui J.， Hu X.， Chem. Eng. J.， 2025， 507， 160710
[43]	Yi Q.， Ji J.， Shen B.， Dong C.， Liu J.， Zhang J.， Xing M.， Environ. Sci. Technol.， 2019， 53， 9725—9733

Catalyst	Specific surface area/（m²·g^-1）	Pore volume/（cm³·g^-1）	Average pore size/nm
Molasses	4.37	0.01	24.43
RM	9.59	0.06	22.91
RMM⁃1∶1	141.56	0.09	20.35

Catalyst	Specific surface area/（m²·g^-1）	Pore volume/（cm³·g^-1）	Average pore size/nm
Molasses	4.37	0.01	24.43
RM	9.59	0.06	22.91
RMM⁃1∶1	141.56	0.09	20.35