用于再生水处理的原位催化臭氧分离膜工艺界面协同除污染特性与作用机制

Now, the trace emerging containments, effluent organic matters and its derived disinfection by-products influence negatively the treatment operation of the reclaimed water and its quality and safe, which presents a new challenge for the advanced wastewater treatment or water reuse technology. Applicant and his group successfully assembled the active layer in ceramic separation membrane using the combination of emerging carbon materials and CuMn2O4 showing rich oxygen ion vacancy and surface hydroxy groups, and fabricated in-situ catalytic ozonation separation membrane as a novel reclaimed water treatment technology. Based on previous study, this applied project will be focused on key scientific issue including synergetic reaction in catalytic ozonation by CuMn2O4/emering carbon materials, typical contaminants degradation pathway based on the in-situ surface catalytic reaction, and reaction mechanism of the surface membrane fouling reduction synchronously. The research achievement will be able to to rich basic theory of catalytic ozonation and membrane fouling reduction and provide the scientific data and law to efficiently direct the application of this novel in-situ catalytic ozonation separation membrane reclaimed water treatment technology. Moreover, the great scientific importance and the practical value can be obtained by this research.

当前，再生水中存在的痕量新型污染物、EfOM及其衍生消毒副产物已成为影响再生水处理工艺运行和水质安全的制约性因素，给现有再生水处理技术提出了新的挑战。申请人前期利用CuMn2O4结构中丰富的氧离子空穴和表面羟基，耦合高活性的新型碳材料，已经成功组装了分离膜催化活性层，构建了具有高效除污染能力的催化臭氧分离膜工艺。在此基础上，本项目对该技术中的关键科学问题开展研究，解析分离膜中CuMn2O4与新型碳材料协同催化臭氧作用，确定活性组分的最佳组合方式，阐述基于膜界面的原位催化除污染反应机理和控制膜污染机理，构建基于分离膜界面的原位催化除污染反应途径与原理。项目研究成果能够丰富多相催化臭氧氧化除污染技术理论、膜污染形成及控制原理，为有效指导催化臭氧分离膜工艺的应用提供基础数据与科学规律，推动催化分离膜水处理技术的发展，为提升再生水水质、降低其利用风险提供技术储备，具有重要的现实意义和理论价值。

当前，再生水中存在的痕量新型污染物、EfOM及其衍生消毒副产物已成为影响再生水处理工艺运行和水质安全的制约性因素，给现有再生水处理技术提出了新的挑战。前期利用CuMn2O4结构中丰富的氧离子空穴和表面羟基，耦合高活性的新型碳材料，已经成功组装了分离膜催化活性层，构建了具有高效除污染能力的催化臭氧分离膜工艺。在此基础上，对该技术中的关键科学问题开展深入研究，为提升再生水水质、降低其利用风险提供技术储备，具有重要的现实意义和理论价值。.通过本项目的研究发现，CuMn2O4/g-C3N4和CuMn2O4/rGO两种改性催化膜提高了产水通量及对特征污染物（痕量新型有机污染物、COD、EfOM和消毒副产物）的去除效果。这主要因为负载后比表面积和总孔容积增加、颗粒的尺寸变小，为催化臭氧氧化的发生提供了丰富的反应位点氧空位，有利于对污染物去除及膜污染的缓解。CuMn2O4催化分离膜对COD和UV254的去除率最高，有效地降低了HAAs引起的毒性，提高了水质安全。且Cu2+浓度均未超标，可以达到一级标准。.以N-rGO催化臭氧氧化为例，研究了特征污染物定向转化规律与机制。研究发现，用DFT理论计算和实验验证的方法，证实了杂原子N的掺杂能够有效地打破rGO原有的电子惰性，创造更多的活性位；N-rGO催化臭氧氧化降解p-CBA和BZA的降解途径主要由分子臭氧攻击途径和自由基攻击途径组成。.通过荧光特性分析，COMR可以有效缓解二级出水中腐殖酸分子结合造成的膜污染有效降解二级出水中芳香族化合物和含有苯环的结构，CuMn2O4/g-C3N4催化臭氧分离膜性能最为优越。COMR可有效地降解高分子量化合物、高碳数化合物以及杂原子化合物，促进了高不饱和度化合物的消除，其出水DOM主要分布在较低MW（300-400 m/z）区域。N-rGO-CM耦合臭氧能够优先强化去除容易形成膜孔堵塞或附着在膜表面的膜污染物，系统地将催化膜界面ROS的产生、ROS与膜污染物的相互作用以及EfOM的转化机制进行整合，从分子水平深入地阐述了一个完整的催化膜膜污染缓解机制。.本项目的研究结果为有效指导催化臭氧分离膜工艺的实际应用提供了理论支撑。