农业回用水中有机污染物的选择性吸附－光催化降解机制研究

In order to ensure the ecological security of the reused water for agriculture, it is necessary to selectively remove toxic pollutants and retain organic nutrients simultaneously. Therefore, this project will prepare inorganic molecularly imprinted TiO2 photocatalysts with high selectivity and photocatalytic activity via hydrothermal method under low temperature, using titanium alkoxide as the source of titanium and the precursor of functional monomer. At the micro-level the interface processes such as the molecular recognition, selective enrichment of the molecularly imprinted TiO2 photocatalysts towards target toxic organic pollutants will be investigated. The structure-activity relationship of the surface structure and selective adsorption-photocatalytic performance will be clarified. The intermediate products of target toxic organic pollutants during the photocatalysis process were real-time monitored by high performance liquid chromatography-mass spectrum technique and electron spin resonance technique. The mechanism of selective adsorption-photocatalytic performance of molecularly imprinted TiO2 towards target organic pollutants will be clarified. The technology model of selective recognition and photocatalytic degradation of toxic pollutants will be constructed. The scientific basis and technical principle for agricultural water security will be provided.

为了保障农业回用水的生态安全性，有必要在最大限度保留回用水中有机营养成分的同时，选择性去除水体中有毒有害的污染物。为此本项目拟以钛醇盐为钛源和印迹功能单体的前驱体，采用水热法低温制备具有基于分子识别的高选择性和高光催化活性的无机骨架分子印迹型TiO2光催化剂。在微观层次上研究分子印迹型TiO2光催化剂表面结构对目标有毒有机污染物的分子识别、选择性富集等界面过程，阐明其表面结构与选择性吸附-光催化性能的构效关系。利用高效液相-质谱连用和电子自旋共振技术实时监测降解的中间产物，探明分子印迹型TiO2光催化剂降解有毒有机污染物的选择性吸附-光催化作用机制，构建选择性识别和光催化降解有毒污染物的技术原型，为农业用水安全提供科学依据和技术原理。

为了最大限度保留农业回用水中有机营养成分的同时，选择性去除水体中有毒有害污染物，本项目以钛醇盐为钛源和印迹功能单体的前驱体，采用溶胶-凝胶法、水热法制备具有高特异识别能力的无机骨架分子印迹型光催化剂；控制无机骨架分子印迹型光催化剂的晶型、形貌和识别位点获得对目标有机污染物具有高选择性吸附性能和光催化氧化特性的纳米材料；研究无机骨架分子印迹型光催化剂的分子识别性能及识别机理；开展无机骨架分子印迹型光催化剂对高毒有机污染物的选择性富集和催化降解的探索研究，探索目标污染物选择性去除效率和分子印迹型光催化剂的构效关系。相比已有的分子印迹型光催化剂而言，这种方法具有如下优势：不需要加入有机功能单体，制备工艺简单，能耗低，从而降低分子印迹型光催化的制备成本；无机骨架分子印迹型TiO2的刚性结构增强了印迹孔穴的稳定性，使得分子印迹型光催化剂的识别位点不易被破坏，有利于无机骨架分子印迹型光催化剂对目标污染物进行选择性吸附与高效催化氧化，保证其选择性降解能力的持续性和重现性，可以大大提高分子印迹型光催化剂的使用寿命。无机骨架分子印迹型光催化剂对目标分子的吸附和光催化性能远远高于相应的非分子印迹型光催化剂，其选择性光催化活性是非分子印迹型光催化剂的2倍以上，这归因于印迹空穴对目标污染物的特定吸附。本项目研究工作表明，无机骨架别分子印迹型TiO2纳米材料对目标污染物降解的选择性高，对农业回用水复杂体系中有毒污染物的去除具有重要的科学意义和实际应用价值。