太阳光助-多孔铋酸铜活化过硫酸盐降解苯并三唑及其衍生物的作用机制研究

As emerging contaminants, benzotriazole and its derivatives (BZAs) are inevitably to enter into waters because of their wide uses, high volume and persistent properties. Conventional sewage treatment technology cannot remove it efficiently. As a result, BZAs in treated water will pose a great threat for water environment and human health. Photo-assistant activation persulfate enhances the decomposition of persulfate to generate SO4-· that shows stronger oxidation capacity, leading to the development of degradation organic pollutants. Based on the successful synthesis of porous CuBi2O4 (PCBO), a novel advanced oxidation process named as solar light assitant porous CuBi2O4 activated persulfate (SAPAP) will be developped in this project, and reaction mechansim of BZAs degradation by SAPAP will be researched. The relationship among “PCBO fabriation routing- structure/morphology/property- catalytic activity” will be established by the identifcation of the key parameters that affect the activity signfiicantly; the reaction mechansim of SAPAP will be revealed by the establishment of the generation- transformation of reactive oxgen species and the contribution of different reaction type on BZAs degradation; BZAs degradation mechansim and pathway will be setup by the identification the intermediates in SAPAP and the establishment of the concentration-pattern mechanism of BZAs and their intermediates. The results of this project will provide a scientific basis, supplement the basic theory of advanced oxidation processes (AOPs), support basic data for this efficient AOP applied in wastewater reuse or advanced treatment, which has very important theoretical and practical significance.

苯并三唑及其衍生物（BZAs）用途广泛、使用量大、难于生物降解，传统的城市生活污水处理技术对其降解能力十分有限，无法保障处理后水体的水质安全。光助活化过硫酸盐技术利用光能强化过硫酸盐分解，能够产生具有超强氧化能力的SO4-·，显著提高除污染能力。本项目在制备多孔铋酸铜催化剂(PCBO)的基础上，构建太阳光助多孔铋酸铜活化过硫酸盐技术（SAPAP）体系，开展SAPAP降解BZAs的作用机制研究。识别影响PCBO催化活性的关键调控因子，构建PCBO制备途径-结构/形貌/表面性质-催化活性关系；揭示活性物种产生-转化规律，研究不同类型反应对BZAs降解的贡献，阐述SAPAP反应作用机制；识别关键产物，构建BZAs及其产物浓度-形态转化规律，阐述BZAs降解机理。研究成果能够为定向制备高活性催化剂提供科学依据，丰富水处理高级氧化技术基础理论，为SAPAP实际应用提供支持，具有重要的理论和现实意义。

苯并三唑及其衍生物（BZAs）用途广泛、使用量大、难于生物降解，传统的城市生活污水处理技术对其降解能力十分有限，无法保障处理后水体的水质安全。光助活化过硫酸盐技术利用光能强化过硫酸盐分解，能够产生具有超强氧化能力的SO4-·，显著提高除污染能力。本项目建立了基于溶胶凝胶法、水热法和微波加热辅助法等三种有效调控多孔铋酸铜（PCBO）的制备方法。通过合理配备与选择铜铋比、水热温度、煅烧温度、微波频率与强度能够有效调控PCBO的形貌、孔道、颗粒尺寸和表面羟基等重要的物化特征；分别建立了PCBO铜铋比、颗粒尺寸和表面羟基与其性能的定量构效关系，为有效指导PCBO的定向制备与生产提供了重要的科学规律。本项目分别采用间接抑制剂和直接ESR等手段，识别了PCBO活化过硫酸盐及其在太阳光助过程中的关键活性物种是硫酸根自由基和羟基自由基；首次采用抑制剂竞争动力学求解了目标污染物与硫酸根自由基的二级反应动力学常数，确定了硫酸根自由基和羟基自由基的生成速率；解析了半导体PCBO在光照条件下电子与空穴的分离过程及其在诱导PMS分解过程中的作用；提出Cu的+1和+2价的循环及其诱导的表面羟基在太阳光助活化过硫酸盐反应的重要作用；最后基于上述研究结果，提出了PCBO微界面光助活化过硫酸盐反应原理。采用Q-TOF和Orbitrap两种高分辨质谱识别了目标污染物的多种降解产物，丰富了这些污染物，特别是含氮有机污染物及紫外吸收剂在光助PCBO活化过硫酸盐体系降解产物与反应化学原理。通过构建特征污染物在光助PCBO活化过硫酸盐体系的降解机制，掌握了硫酸自由基能够首先取代苯环上的富电子基团，逐渐被羟基取代，通过多次羟基取代、去甲基化、化学结构重组的完成含氮有机污染物的矿化。研究成果为定向制备高活性催化剂提供科学依据，丰富水处理高级氧化技术基础理论，为SAPAP实际应用提供支持，具有重要的理论和现实意义。