Cobalt ferrite catalyst in the degradation of caffeine by hydrogen peroxide under induction heating

Володимира Бойчук; Любомир Никируй; Іван Яремій; Віктор Гусак

doi:10.15330/pcss.25.4.885-891

Автор(и)

Володимира Бойчук Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника, Івано-Франківськ, Україна
Любомир Никируй Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника, Івано-Франківськ, Україна
Іван Яремій Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника, Івано-Франківськ, Україна
Віктор Гусак Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника, Івано-Франківськ, Україна

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.25.4.885-891

Ключові слова:

ферит кобальту, зелений синтез, пероксид водню, кофеїн, каталізатор, неочищені стічні води

Анотація

Кофеїн є поширеним забруднювачем, який важко видалити стандартними методами очищення води. Пероксидне окиснення з гетерогенним каталізатором фериту кобальту було перевірено як ефективну та екологічно чисту технологію видалення кофеїну. Завдяки своїм феромагнітним властивостям ферит кобальту особливо підходить для індукційного нагріву змінним магнітним полем. Ферит кобальту було отримано методом «зеленого» синтезу з використанням екстракту Гінкго білоба, як палива. Структуру шпінелі отриманого матеріалу було підтверджено методом X-променевої дифрактометрії. Деградацію кофеїну у водних розчинах вивчали з використанням суспензії фериту кобальту в реакторі періодичної дії в нейтральних умовах (pH = 7). Синтезований ферит кобальту ефективно прискорював деградацію молекул кофеїну. Було перевірено три незалежні змінні процесу: початкова концентрація кофеїну (1–5 мг/л), концентрація пероксиду водню (10–50 мМ) та вплив індукційного нагріву. Кінетику деградації кофеїну описано моделлю першого порядку та визначено відповідні константи швидкості реакції. Виявлено, що ефективність деградації кофеїну залежить від початкової концентрації H₂O₂ і дози каталізатора. Для початкової концентрації кофеїну 1,0 мг/л, дози каталізатора 3,0 г/л і концентрації H₂O₂ 30 мМ ефективність розкладу кофеїну становить 92,45%. Результати досліджень показують, що CoFe₂O₄, синтезований з використанням екстракту Гінкго білоба, є перспективним гетерогенним каталізатором для очищення стічних вод.

Посилання

Z.-J. Tang, L.-Y. Hao, Y.-C. Zhao, L. Tian, N. Li, Z.-Q. Liu, Bridging oxygen mediated alkaline Fenton catalysis in LDHs for water purification, Appl. Catal. B Environ. Energy, 363, 124828 (2025); https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2024.124828.

E.H. Khader, S.A. Muslim, N.M.C. Saady, N.S. Ali, I.K. Salih, T.J. Mohammed, T.M. Albayati, S. Zendehboudi, Recent advances in photocatalytic advanced oxidation processes for organic compound degradation: A review, Desalin. Water Treat., 318, 100384 (2024); https://doi.org/10.1016/j.dwt.2024.100384.

C. Feng, H. Zhang, J. Guo, S.-Y. Yu, M. Luo, J. Zhang, Y. Ren, Y. Liu, P. Zhou, C.-S. He, Z. Xiong, Y. Yuan, Y. Wu, B. Lai, Boosted H2O2 utilization and selective hydroxyl radical generation for water decontamination: Synergistic roles of dual active sites in H2O2 activation., Water Res., 267, 122453 (2024); https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.122453.

T. Tatarchuk, Studying the Defects in Spinel Compounds: Discovery, Formation Mechanisms, Classification, and Influence on Catalytic Properties, Nanomaterials, 14, 1640 (2024); https://doi.org/10.3390/nano14201640.

I. Starko, T. Tatarchuk, M. Naushad, N. Danyliuk, Enhanced Activity of La-Substituted Nickel–Cobalt Ferrites in Congo Red Dye Removal and Hydrogen Peroxide Decomposition, Water, Air, Soil Pollut., 235, 527 (2024); https://doi.org/10.1007/s11270-024-07329-5.

L. Rajadurai, R. Sambasivam, C. Sekhar Dash, J.R. Rajabathar, A. Tony Dhiwahar, H. Al-lohedan, J. Vidhya, M. Sundararajan, S. Yuvaraj, Effective removal of tetracycline hydrochloride under visible light using Mg1−xCoxFe2O4 (x = 0.0, 0.1, 0.3, 0.5) nanoparticles, Mater. Sci. Eng. B, 308, 117614 (2024); https://doi.org/10.1016/j.mseb.2024.117614.

J. Prakash, R. Jasrotia, Himanshi, J. Singh, A. Kandwal, P. Sharma, Wastewater Treatment: The Emergence of Cobalt Ferrite and Its Composites in Sulfate Radical-Based Advanced Oxidation Processes, Emergent Mater., (2024); https://doi.org/10.1007/s42247-024-00735-9.

M.A.P. Cechinel, J.L. Nicolini, P.M. Tápia, E.A.C. Miranda, S. Eller, T.F. de Oliveira, F. Raupp-Pereira, O.R.K. Montedo, T.B. Wermuth, S. Arcaro, Cobalt Ferrite (CoFe2O4) Spinel as a New Efficient Magnetic Heterogeneous Fenton-like Catalyst for Wastewater Treatment, Sustainability, 15, 15183 (2023); https://doi.org/10.3390/su152015183.

T. Tatarchuk, A. Shyichuk, N. Danyliuk, I. Lapchuk, V. Husak, W. Macyk, Fenton-like water disinfection using fixed-bed reactor filled with a CoFe2O4 catalyst: Mechanisms, the impact of anions, electromagnetic heating, and toxicity evaluation, Sep. Purif. Technol., 348, 127748 (2024); https://doi.org/10.1016/j.seppur.2024.127748.

G. do Carmo Dias, N.C.S. de Souza, E.I.P. de Souza, G.A. Puiatti, R.P.L. Moreira, Enhanced degradation of Direct Red 80 dye via Fenton-like process mediated by cobalt ferrite: generated superoxide radicals and singlet oxygen., Environ. Sci. Pollut. Res. Int., 31, 28025 (2024); https://doi.org/10.1007/s11356-024-32976-w.

R.C.S. Neves, E.L.T. França, A.R. Rodrigues, S.A. Junior, D.C.D.O. Conceiç, Development of a new method for the preparation of mesoporous magnetic nanoparticles of cobalt ferrite (CoFe2O4) with applied parameters for magnetic hyperthermia, Nano-Structures & Nano-Objects, 37 (2024); https://doi.org/10.1016/j.nanoso.2023.101073.

T. Tatarchuk, A. Shyichuk, Z. Sojka, J. Gryboś, M. Naushad, V. Kotsyubynsky, M. Kowalska, S. Kwiatkowska-Marks, N. Danyliuk, Green synthesis, structure, cations distribution and bonding characteristics of superparamagnetic cobalt-zinc ferrites nanoparticles for Pb(II) adsorption and magnetic hyperthermia applications, J. Mol. Liq., 328, 115375 (2021); https://doi.org/10.1016/j.molliq.2021.115375.

J. Mazarío, S. Ghosh, V. Varela-izquierdo, L.M. Martínez-prieto, B. Chaudret, Magnetic Nanoparticles and Radio Frequency Induction: From Specific Heating to Magnetically Induced Catalysis, ChemCatChem., 202400683 (2024); https://doi.org/10.1002/cctc.202400683.

R. Jasrotia, J. Prakash, Y.B. Saddeek, A.H. Alluhayb, A.M. Younis, N. Lakshmaiya, C. Prakash, K.A. Aly, M. Sillanpää, Y.A.M. Ismail, A. Kandwal, P. Sharma, Cobalt ferrites: Structural insights with potential applications in magnetics, dielectrics, and Catalysis, Coord. Chem. Rev., 522, 216198 (2025); https://doi.org/10.1016/j.ccr.2024.216198.

S.S.L. Ali, S. Selvaraj, K.M. Batoo, A. Chauhan, G. Rana, S. Kalaichelvan, A. Radhakrishnan, Green synthesis of cubic spinel ferrites and their potential biomedical applications, Ceram. Int., 50, 52159 (2024); https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.10.084.

J. Prakash, R. Jasrotia, Suman, J. Ahmed, S.M. Alshehri, T. Ahmad, M. Fazil, M. Sillanpää, N. Lakshmaiya, V. Raja, Soft nickel modified cobalt based nanomaterials: An advanced approach for green hydrogen generation, J. Mol. Liq., 414, 126123 (2024; https://doi.org/10.1016/j.molliq.2024.126123.

Z. Chang, S.O. Ganiyu, Q. Feng, M.G. El-din, Structure tunning of MoS2@Fe3O4 by modulating electron density for enhanced Fenton-like PMS activation: Accelerated Fe(III)/Fe(II) cycle for efficient micropollutants removal, J. Environ. Chem. Eng., 12, 114944 (2024); https://doi.org/10.1016/j.jece.2024.114944.

T. Tatarchuk, A. Shyichuk, V. Kotsyubynsky, N. Danyliuk, Catalytically active cobalt ferrites synthesized using plant extracts: Insights into structural, optical, and catalytic properties, Ceram. Int., (2024); https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.11.470.

F. Qi, W. Chu, B. Xu, Catalytic degradation of caffeine in aqueous solutions by cobalt-MCM41 activation of peroxymonosulfate, Appl. Catal. B Environ., 134–135, 324 (2013); https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2013.01.038.

H. Muthukumar, M.K. Shanmugam, S.N. Gummadi, Caffeine degradation in synthetic coffee wastewater using silverferrite nanoparticles fabricated via green route using Amaranthus blitum leaf aqueous extract, J. Water Process Eng. 36, 101382 (2020); https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2020.101382.

S. Jauhar, S. Singhal, Substituted cobalt nano-ferrites, CoxFe2O4 (Cr3+, Ni2+, Cu2+, Zn2+) as heterogeneous catalysts for modified Fenton’s reaction, Ceramics International, 40(8), 11845-11855 (2014); https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2014.04.019.