Fe₂O₃-CeO₂-Bi₂O₃/γ-Al₂O₃ catalyst in the catalytic wet air oxidation (CWAO) of cationic red GTL under mild reaction conditions

Highlights

Fe₂O₃-CeO₂-Bi₂O₃/γ-Al₂O₃, an environmental friendly material, was investigated.

The catalyst exhibited good catalytic performance in the CWAO of cationic red GTL.

The apparent activation energy for the reaction was 79 kJ·mol⁻¹.

HO₂· and O₂·⁻ appeared as the main reactive species in the reaction.

Abstract

The Fe₂O₃-CeO₂-Bi₂O₃/γ-Al₂O₃ catalyst, a novel environmental-friendly material, was used to investigate the catalytic wet air oxidation (CWAO) of cationic red GTL under mild operating conditions in a batch reactor. The catalyst was prepared by wet impregnation, and characterized by special surface area (BET measurement), X-ray diffraction (XRD) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The Fe₂O₃-CeO₂-Bi₂O₃/γ-Al₂O₃ catalyst exhibited good catalytic activity and stability in the CWAO under atmosphere pressure. The effect of the reaction conditions (catalyst loading, degradation temperature, solution concentration and initial solution pH value) was studied. The result showed that the decolorization efficiency of cationic red GTL was improved with increasing the initial solution pH value and the degradation temperature. The apparent activation energy for the reaction was 79 kJ·mol⁻¹. Hydroperoxy radicals (HO₂·) and superoxide radicals (O₂⁻·) appeared as the main reactive species upon the CWAO of cationic red GTL.

Graphical abstract

Keywords

Catalytic wet air oxidation (CWAO) / Advanced oxidation processes (AOPs) / Iron oxide catalyst / Industrial wastewater

References

[1] Sang  H L,  Carberry  J B. Biodegradation of PCP enhanced by chemical oxidation pretreatment.  Water Environment Research, 1992, 64(5): 682–690

[2] Tian  S C,  Li  Y B,  Zhao  X. Cyanide removal with a copper/active carbon fiber cathode via a combined oxidation of a Fenton-like reaction and in situ generated copper oxides at anode.  Electrochimica Acta, 2015, 180: 746–755

[3] Liao  G, Zhu   D, Li  L,  Lan  B. Enhanced photocatalytic ozonation of organics by g-C₃N₄ under visible light irradiation.  Journal of Hazardous Materials, 2014, 280: 531–535

[4] Wang  Y B,  Zhao  H,  Zhao  G. Iron-copper bimetallic nanoparticles embedded within ordered mesoporous carbon as effective and stable heterogeneous Fenton catalyst for the degradation of organic contaminants.  Applied Catalysis B: Environmental, 2015, 164: 396–406

[5] Xiao  J D,  Xie  Y B,  Nawaz  F,  Jin  S,  Duan  F,  Li  M J,  Cao  H B. Super synergy between photocatalysis and ozonation using bulk g-C₃N₄ as catalyst: A potential sunlight/O₃/g-C₃N₄ method for efficient water decontamination.  Applied Catalysis B: Environmental, 2016, 181: 420–428

[6] Luck  F. Wet air oxidation: Past, present and future.  Catalysis Today, 1999, 53(1): 81–91

[7] Kim  K H,  Ihm  S K. Heterogeneous catalytic wet air oxidation of refractory organic pollutants in industrial wastewaters: A review.  Journal of Hazardous Materials, 2011, 186(1): 16–34

[8] Mezohegyi  G, Erjavec   B, Kaplan  R,  Pintar  A. Removal of bisphenol A and its oxidation products from aqueous solutions by sequential catalytic wet air oxidation and biodegradation.  Industrial & Engineering Chemistry Research, 2013, 52(26): 9301–9307

[9] Wang  J B,  Zhu  W P,  Yang  S X,  Wang  W,  Zhou  Y R. Catalytic wet air oxidation of phenol with pelletized ruthenium catalysts.  Applied Catalysis B: Environmental, 2008, 78(1–2): 30–37

[10] Yang  S X,  Besson  M,  Descorme  C. Catalytic wet air oxidation of succinic acid over Ru and Pt catalysts supported on Ce_xZr_1−xO₂ mixed oxides.  Applied Catalysis B: Environmental, 2015, 165(165): 1–9

[11] De los Monteros  A E,  Lafaye  G,  Cervantes  A,  Del Angel  G,  Barbier  JJr. Catalytic wet air oxidation of phenol over metal catalyst (Ru, Pt) supported on TiO₂-CeO₂ oxides.  Catalysis Today, 2015, 258: 564–569

[12] Szabados  E, Sagi   G, Somodi  F,  Maroti  B,  Sranko  D,  Tungler  A. Wet air oxidation of paracetamol over precious metal/Ti mesh monolith catalyst.  Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 2017, 46: 364–372

[13] Xu  A, Sun   C. Catalytic behaviour and copper leaching of Cu_0.10Zn_0.90Al_1.90Fe_0.10O₄ spinel for catalytic wet air oxidation of phenol.  Environmental Technology, 2012, 33(10–12): 1339–1344

[14] Ersöz  G,  Atalay  S. Treatment of aniline by catalytic wet air oxidation: Comparative study over CuO/CeO₂ and NiO/Al₂O₃.  Journal of Environmental Management, 2012, 113(4): 244–250

[15] Ma  C J, Wen   Y Y, Yue   Q Q, Li   A Q, Fu   J L, Zhang   N, Gai  H,  Zheng  J,  Chen  B H. Oxygen-vacancy-promoted catalytic wet air oxidation of phenol from MnO_x-CeO₂.  RSC Advances, 2017, 7(43): 27079–27088

[16] Rocha  R P,  Silva A M T,  Romero S M M,  Pereira M F R,  Figueiredo J L. The role of O- and S-containing surface groups on carbon nanotubes for the elimination of organic pollutants by catalytic wet air oxidation.  Applied Catalysis B: Environmental, 2014, 147(14): 314–321

[17] Yang  S, Cui   Y, Sun  Y,  Yang  H. Graphene oxide as an effective catalyst for wet air oxidation of phenol.  Journal of Hazardous Materials, 2014, 280: 55–62

[18] Ma  H, Zhuo   Q, Wang  B. Characteristics of CuO-MoO₃-P₂O₅ catalyst and its catalytic wet oxidation (CWO) of dye wastewater under extremely mild conditions.  Environmental Science & Technology, 2007, 41(21): 7491–7496

[19] Yang  S X,  Besson  M,  Descorme  C. Catalytic wet air oxidation of formic acid over Pt/Ce_xZr_1−xO₂ catalysts at low temperature and atmospheric pressure.  Applied Catalysis B: Environmental, 2010, 100(1–2): 282–288

[20] Xu  Y, Li   X, Cheng  X,  Sun  D,  Wang  X. Degradation of cationic red GTL by catalytic wet air oxidation over Mo-Zn-Al-O catalyst under room temperature and atmospheric pressure.  Environmental Science & Technology, 2012, 46(5): 2856–2863

[21] Zou  L, Wang   Q, Wang  Z,  Jin  L,  Liu  R J,  Shen  X Q. Rapid decolorization of methyl blue in aqueous solution by recyclable microchannel-like La_0.8K_0.2FeO₃ hollow microfibers.  Industrial & Engineering Chemistry Research, 2013, 53(2): 658–663

[22] Quintanilla  A,  Casas  J A,  Rodríguez  J J. Catalytic wet air oxidation of phenol with modified activated carbons and Fe/activated carbon catalysts.  Applied Catalysis B: Environmental, 2007, 76(1–2): 135–145

[23] di Luca  C,  Ivorra  F,  Massa  P,  Fenoglio  R. Iron-alumina synergy in the heterogeneous Fenton-type peroxidation of phenol solutions.  Chemical Engineering Journal, 2015, 268: 280–289

[24] Zhu  W, Bin   Y, Li  Z,  Jiang  Z,  Yin  T. Application of catalytic wet air oxidation for the treatment of H-acid manufacturing process wastewater.  Water Research, 2002, 36(8): 1947–1954

[25] Wang  X M,  Waite  T D. Role of gelling soluble and colloidal microbial products in membrane fouling.  Environmental Science & Technology, 2009, 43(24): 9341–9347

[26] Noh  J S,  Schwarz  J A. Effect of HNO₃ treatment on the surface acidity of activated carbons.  Carbon, 1990, 28(5): 675–682

[27] Karpel  N, Leitner   V, Fu  H X. pH effects on catalytic ozonation of carboxylic acids with metal on metal oxides catalysts. Topics in Catalysis, 2005, 33(1–4): 249–256

[28] Descostes  M, Mercier   F, Thromat  N,  Beaucaire  C,  Gautier-Soyer  M. Use of XPS in the determination of chemical environment and oxidation state of iron and sulfur samples: Constitution of a data basis in binding energies for Fe and S reference compounds and applications to the evidence of surface species of an oxidized pyrite in a carbonate medium.  Applied Surface Science, 2000, 165(4): 288–302

[29] Guo  L Q,  Chen  F,  Fan  X Q,  Cai  W D,  Zhang  J L. S-doped α-Fe₂O₃ as a highly active heterogeneous Fenton-like catalyst toward the degradation of acid orange 7 and phenol.  Applied Catalysis B: Environmental, 2010, 96(1–2): 162–168

[30] Barbier  JJr, Delanoë   F, Jabouille  F,  Duprez  D,  Blanchard  G,  Isnard  P. Total oxidation of acetic acid in aqueous solutions over noble metal catalysts.  Journal of Catalysis, 1998, 177(2): 378–385

[31] Rosenfeldt  E J,  Linden  K G,  Canonica  S,  von Gunten  U. Comparison of the efficiency of ^·OH radical formation during ozonation and the advanced oxidation processes O₃/H₂O₂ and UV/H₂O₂.  Water Research, 2006, 40(20): 3695–3704

[32] Yang  Y, Jiang   J, Lu  X,  Ma  J,  Liu  Y. Production of sulfate radical and hydroxyl radical by reaction of ozone with peroxymonosulfate: A novel advanced oxidation process.  Environmental Science & Technology, 2015, 49(12): 7330–7339

Acknowledgements

This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 21547008 & 51206045), School featured projects (No. TS2016HBDL16) and Fundamental Research Funds for Central Universities (No. 2015 MS21).ƒ

Electronic Supplementary Material

Supplementary material is available in the online version of this article at https://doi.org/10.1007/s11783-018-1025-z and is accessible for authorized users.

RIGHTS & PERMISSIONS

2018 Higher Education Press and Springer-Verlag GmbH Germany, part of Springer Nature