吉林大学学报(地球科学版) ›› 2026, Vol. 56 ›› Issue (3): 1002-1012.doi: 10.13278/j.cnki.jjuese.20250176

• 地质工程与环境工程 • 上一篇    下一篇

多孔结构CuFe2O4-P材料制备及其催化过一硫酸盐降解咖啡因

于影1, 陈俊杰1, 林耿煨1, 李青松1,2   

  1. 1.厦门理工学院环境科学与工程学院,福建厦门361024
    2.厦门市水资源利用与保护重点实验室,福建厦门361024

  • 出版日期:2026-05-26 发布日期:2026-06-03
  • 通讯作者: 李青松(1979—), 男, 研究员, 硕士生导师, 主要从事水处理理论与技术方面的研究,E-mail:leetsingsong@sina.com
  • 作者简介:于影(1992—), 女, 讲师, 硕士生导师, 主要从事水体污染物迁移转化过程及其控制技术方面的研究, E-mail: yingyu_2021@163.com
  • 基金资助:
    国家自然科学基金项目(52400117);福建省自然科学基金项目(2024J08119)

 Preparation of Porous Structure CuFe2O4-P Material and Its Catalytic Peroxymonosulfate Degradation of Caffeine

Yu Ying 1,Chen Junjie 1,Lin Gengwei 1,Li Qingsong 1, 2   

  1. 1. School of Environmental Science and Engineering, Xiamen University of Technology, Xiamen 361024, Fujian, China
    2. Key Laboratory of Water Resources Utilization and Protection, Xiamen 361024, Fujian, China

  • Online:2026-05-26 Published:2026-06-03
  • Supported by:
    Supported by the National Natural Science Foundation of China (52400117) and the Natural Science Foundation of Fujian Province (2024J08119)

摘要: 咖啡因(CAF)作为一种新污染物在各类环境介质中被广泛检出,其环境持久性和潜在生态风险对水环境安全构成了威胁,开发一种高效的CAF去除技术以确保水环境安全至关重要。本研究采用新型无溶剂法制备了三维多孔结构催化剂CuFe2O4-P,开展了CuFe2O4-P催化过一硫酸盐(PMS)降解CAF的实验,并利用电子自旋共振分析、自由基淬灭实验、X射线光电子能谱表征和水质因素影响实验,系统考察了此体系对CAF降解效率、作用机制和水质因素的影响。结果表明:CuFe2O4-P/PMS工艺表现出较好的催化性能,在优化条件(pH=7、PMS质量浓度为18 mg/L和催化剂投加量为0.3 g/L)下可实现对CAF的完全降解(180 s内降解效率为100%);CuFe2O4-P/PMS工艺中羟基自由基(·OH)和硫酸根自由基(SO4·-)对CAF降解过程的贡献率分别为66%和34%;催化剂表面Fe(Ⅲ)/Fe(Ⅱ)和Cu(Ⅱ)/Cu(Ⅰ)氧化还原循环的存在可促进降解体系中SO4·-的生成,有效强化了CAF的降解过程;碳酸根(CO32-)和腐殖酸(HA)分别使CAF降解效率降至8%和20%,对降解过程有显著抑制作用,而硝酸根(NO3-)的影响可以忽略不计。该体系对实际污水厂出水中的CAF仍表现出40%的降解效率,显示出良好的实际应用潜力。

关键词: 三维多孔结构催化剂, 过一硫酸盐, 咖啡因, 活性物种, 影响因素

Abstract:  Caffeine (CAF), as an emerging contaminant, has been widely detected in various environmental media. Its environmental persistence and potential ecological risks pose a threat to aquatic environmental safety, making the development of an efficient CAF removal technology crucial for ensuring water security. This study developed a novel environmentally friendly solvent-free method to synthesize three-dimensional porous CuFe2O4-P catalyst. Experiments on CAF degradation were conducted using the CuFe2O4-P catalyzed peroxymonosulfate (PMS) system. Electron spin resonance (ESR) analysis, radical quenching experiments, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) characterization, and water quality factor impact experiments were comprehensively utilized to systematically investigate the degradation efficiency, underlying mechanism, and the influence of water quality factors on CAF degradation in this system. The results Showed that  the CuFe2O4-P/PMS system exhibited excellent catalytic activity, it could  completely degrade CAF (100% removal within 180 s) under optimized conditions (pH=7, PMS concentration=18 mg/L, catalyst dosage=0.3 g/L). In the CuFe2O4-P/PMS process, hydroxyl radicals (·OH) and sulfate radicals (SO4·-) contributed 66% and 34%, respectively, to the degradation of CAF. The presence of Fe(Ⅲ)/Fe(Ⅱ) and Cu(Ⅱ)/Cu(Ⅰ) redox cycles on the catalyst surface played a crucial role in enhancing SO4·- generation, thereby significantly improving CAF degradation efficiency. Carbonate (CO32-) and humic acid (HA) significantly inhibited the degradation process, reducing CAF removal to 8% and 20%, respectively, while nitrate (NO3-) had negligible effects. Notably, the system still achieved a 40% removal efficiency for CAF in real wastewater treatment plant effluent, highlighting its potential for practical applications.


Key words:  , three-dimensional porous catalyst, peroxymonosulfate, caffeine, reactive species, influencing factors

中图分类号: 

  • X523
[1] 胡启智, 王秀娟, 丘锦荣, 康迪, 曾经文, 蔡倩怡, 刘人涛, 刘娜. 潮汕地区地下水饮用水源地酸性浅层地下水特征及其成因探讨[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2025, 55(3): 906-918.
[2] 张菲菲, 王林, 马静, 王万银, 李建国, 周新鹏, 李倩. 重力地形校正研究进展及展望[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2025, 55(1): 254-273.
[3] 蔡潇, 夏威, 马晓东, 臧素华, 丁安徐, 刘玉霞, 花彩霞, 朱一川, 李辉. 苏北盆地溱潼凹陷古近系阜宁组页岩油储集空间特征及其影响因素[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2024, 54(5): 1482-1493.
[4] 韩红闪, 朱琳, 郭高轩, 李炳华, 卢灿. 新水情背景下北京平原朝阳—通州沉降区地面沉降特征及其影响[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2024, 54(4): 1326-1338.
[5] 闫佰忠, 盖俊百, 王昕洲, 占新凯, 马苗苗. 石家庄滹沱河山前冲洪积扇地下水位动态演变特征及影响机制[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2023, 53(6): 1880-1891.
[6] 王志恒, 梁永平, 申豪勇, 赵春红, 唐春雷, 谢浩, 赵一. 自然与人类活动叠加影响下晋祠泉域岩溶地下水动态特征[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2021, 51(6): 1823-1837.
[7] 周彤, 商广明, 翟亚峰. 路基砾类填料土动力特性影响因素试验分析[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2021, 51(5): 1482-1489.
[8] 刘金萍, 王改云, 简晓玲, 王嘹亮, 杜民, 成古. 北黄海东部次盆地层序地层格架中烃源岩发育特征与影响因素[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2020, 50(1): 1-17.
[9] 计玮. 致密砂岩气储层气水相渗特征及其影响因素——以鄂尔多斯盆地苏里格气田陕234-235井区盒8段、山1段为例[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2019, 49(6): 1540-1551.
[10] 朱广祥, 郭秀军, 余乐, 孙翔, 贾永刚. 高黏粒含量海洋土电阻率特征分析及模型构建[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2019, 49(5): 1457-1465.
[11] 单祥, 郭华军, 郭旭光, 邹志文, 李亚哲, 王力宝. 低渗透储层孔隙结构影响因素及其定量评价——以准噶尔盆地金龙2地区二叠系上乌尔禾组二段为例[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2019, 49(3): 637-649.
[12] 孙超, 邵艳红, 王寒冬. 支挡式结构物水平冻胀力研究进展与思考[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2018, 48(3): 784-798.
[13] 张玉玲, 司超群, 陈志宇, 初文磊, 陈在星, 王璜. 土壤硝酸盐氮的空间变异特征及影响因素分析[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2018, 48(1): 241-251.
[14] 郑国东, 覃建勋, 付伟, 杨志强, 赵辛金, 卢炳科. 广西北部湾地区表层土壤As分布特征及其影响因素[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2018, 48(1): 181-192.
[15] 施有志, 林树枝, 车爱兰, 惠祥宇, 冯少孔, 黄钰琳. 基于三维地震映像法的地铁盾构区间孤石勘探及其应用[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2017, 47(6): 1885-1893.
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