铁钴锰基催化剂表面性能调控强化催化臭氧化与溴酸盐生成控制研究

Considering the efficient removal of tetracyclines and macrolides antibiotics in water, the unclarity of interfacial ozone reaction mechanism and the secondary pollution caused by bromate in catalytic ozonation, the aim of this project is to (a) in-situ investigate the reaction process and mechanism of ozone-organic substrate- bromate at the solid-water interface, (b) obtain the key parameters which determine the ozone decomposition into reactive oxygen species, (c) clarify the formation pathway and control mechanism of bromate. Based on the above results, the emphasis is to propose the principles and methods to design and modify the ozonation catalyst. For the drinking water treatment with given water quality, FeCoMn based catalyst will be developed by regulating the catalyst’s surface properties, which will have multifunction at the same time such as adsorption, complexation, oxidation and reduction. Finally, the optimum ozonation catalyst will be used in a designed fixed-bed reactor, hence an advanced drinking water treatment technique with long term stability, high efficiency and no second pollution will be developed. This investigation will supply theoretical guidance and technical support for the application of heterogeneous catalytic ozonation in drinking water treatment.

针对水中四环素类和大环内酯类抗生素的高效去除，多相催化臭氧化的界面反应机制不明确以及存在副产物溴酸盐的二次污染问题，本项目提出原位研究臭氧-污染物-溴酸盐在催化剂界面的微观反应过程与机制，明确影响催化剂强化臭氧产生自由基的关键表面性能因素和溴酸盐生成控制途径的关键因子。重点提出臭氧催化剂表面性能设计调控的普遍规律和原理方法，通过对铁钴锰基臭氧催化剂表面性能的设计优化，构建吸附/络合/氧化/还原等多功能复合的固液界面，最终实现水中典型抗生素高效去除和副产物溴酸盐生成控制的双重目的。以铁钴锰基催化剂为基础，建立催化臭氧化反应处理装置，形成长期稳定、安全有效的饮用水深度处理技术，为多相催化臭氧化技术的推广应用提供理论依据与技术支持。

针对水中农药和抗生素类医药品等难降解有机污染物的高效去除，多相催化臭氧化的界面反应机制不明确以及存在副产物溴酸盐的二次污染问题，本项目提出通过调控催化剂表面性能以达到强化铁钴锰基催化剂臭氧化催化效率的目的。本项目中，我们通过水热法、共沉淀法、水热-煅烧法等多种制备方法合成了系列臭氧催化剂包括镁铝水滑石、水铁矿、Ni改性α-FeOOH和α-Fe2O3等。催化剂的结构表征和性能评价结果证实，上述材料均能有效催化臭氧去除水中的农药和抗生素类等难降解有机污染物。进一步刻画了臭氧在催化剂表面的分解动力学和分解机制，通过XRD、SEM、XPS、ESR等技术研究了臭氧在催化剂表面的吸附/络合/分解过程和活性氧物种的生成与利用情况等，构建了催化剂的表面物理化学性质与强化臭氧分解产生活性自由基的关系，证实催化剂表面酸碱位点是影响催化剂臭氧化活性的关键控制因素，相关催化臭氧化反应机制研究为高效臭氧催化剂的研制和多相催化臭氧化技术的实际应用提供科学依据和技术支持。此外，本项目以过硫酸盐活化体系为初步研究模型体系，研究了相关氧化体系对致癌副产物——溴酸盐的生成控制情况，揭示了不同活性氧物种以及活性氧物种数量对溴离子转化为溴酸盐的影响因素。相关研究结果已经发表SCI文章47篇，较好地完成了项目最初的研究目标与考核指标。