膜/疏水Mn基氧化物催化臭氧氧化耦合系统及其净水特性的研究

多相催化臭氧氧化中存在臭氧溶解度低、高活性的超细粉体催化剂不易连续重复使用等问题，严重制约其在水处理中的应用。基于Mn对臭氧氧化的高催化活性和氟碳化合物对臭氧在水中的增溶作用，构建表面接枝氟碳分子的疏水Mn基氧化物催化剂，重点研究分子结构、表面活性位点、表面疏水性对有机污染物吸附、臭氧增溶、臭氧催化降解的协同作用机制，并揭示其吸附、催化机理。与表面负载MnO2的陶瓷膜构建成膜/疏水Mn基氧化物催化臭氧氧化耦合系统，该耦合系统可实现对臭氧的增溶作用和对超细粉体催化剂的拦截作用，膜还可催化残存臭氧氧化分解。通过对微污染水的处理，研究该耦合系统的净水特性，包括TOC、持久性有毒有害有机物的去除效率；水体中的各种阴阳离子对臭氧催化氧化效果的影响；膜材料、孔径和形式与催化剂截留效率的关系；膜污染与控制的规律；微污染水中各污染物的吸附、降解机理。

摘要：臭氧利用率低以及高活性粉体催化剂难以连续使用时目前臭氧催化氧化水处理技术存在的两大难题。催化剂以及催化剂的分离是该技术的核心和关键，本项目已经按计划采用溶胶凝胶法制备出Mn基氧化物MnOx、Mn-O/g-C3N4、MnFe2O4、MgMn2O4催化剂，并增加制备了La2O3、La-Cu-O、La-Fe-O、MgFe2O4、MgO等新型高活性催化剂；研究了催化剂表面特性与催化特性之间的关系；另外通过负载或者表面接枝技术制备了疏水催化剂MnFe2O4/PTFE、MnFe2O4/SDB、MnFe2O4/PFO以及MgO/PFO， 研究了疏水改性与臭氧增溶、污染物富集、催化特性之间的关系；研究了催化机理；最后构建了膜/催化臭氧氧化耦合系统并进行了净水特性研究。结果表明这些催化剂在催化臭氧氧化降解对对氯苯酚、硝基苯、抗生素磺胺甲恶唑(SMZ)、酸性橙7、邻苯二甲酸甲酯、莠去津等污染物过程中表现出良好的活性，有效地提高臭氧利用率和污染物矿化度,例如采用5%PFO-MgO，反应30 min，臭氧利用率接近100 %，而单独臭氧氧化时仅为57.5%，反应90min时，TOC去除率也比单独臭氧高出45.9%。另外发现，双金属氧化物中的双金属表现出高效的协同催化效应；铁酸镁中的镁增加了晶格氧的电子云密度，促进了亲电性的臭氧催化氧化；催化剂表面含氧基团（包括羟基以及晶格氧）的数量以及碱性强度与催化活性正相关；疏水改性可实现臭氧增溶，但同时占据了催化活性位点，因此适当的疏水改性可提高催化效率；臭氧催化机理表明，MnFe2O4等催化剂促使更多的臭氧转化为羟基自由基，另外疏水改性的催化剂可实现有机污染物富集浓缩以及增溶臭氧的双重作用，从而导致催化活性的进一步提高；基于这些高活性催化剂MnFe2O4, MgO 以及 MgO-5%PFO的膜/催化臭氧氧化耦合系统能效地截留催化剂粉体，实现连续催化臭氧氧化反应，提高净水效率，改善出水水质。这些研究结论可以进一步指导核心材料催化剂的分子设计、改性，耦合反应系统为提高催化臭氧氧化的效率提供了新的思路与理论。至目前为止，在该项目支持下，已在国内外重要学术刊物上发表研究论文7篇（SCI刊源）；另外有4篇论文正在投稿和整理中。该项目已经协助培养出2名全日制硕士研究生，他们已分别于2012年6月和2014年6月毕业，另有两名博士生的部分毕业论文内容为该项