功能性微纳米材料在水污染控制中的应用方法与原理

针对持久性有毒物质(PTS)水污染控制中的难题，以水中典型有毒有机污染物的高效、安全净化为目标，将材料领域中的最新研究成果与水中PTS的污染控制相结合，系统研究基于氧化还原作用的微纳米材料水污染控制功能化设计、制备与组(器)件化方法；探索利用功能性微纳米材料及其组(器)件(如：电化学电极、光电电极、催化组件、复合分离膜等)实现对水中典型PTS的高效净化反应机制和调控原理；以及功能性微纳米材料与其他高级氧化还原技术的耦合强化方法；从材料的寿命、处理性能的稳定性和能量效率等角度探讨功能性微纳米材料及其组(器)件在PTS水污染控制中的实用性及技术策略。为微纳米材料在水污染控制中的应用提供理论基础。

本项目开展了利用功能性微纳米材料提高水污染控制效率的提高方法和原理研究。研究内容涉及适用于水处理的功能性微纳米材料的制备方法、典型污染物污染控制过程中的作用原理、和微纳米材料的水处理功能组(器)件化方法等。研究按计划执行，达到预期目标。. 主要学术成果如下：. 制备了铁酸盐、Bi复合盐等新型窄带半导体材料以及等离子共振材料，拓展了光催化材料吸收光谱范围，并揭示了其降解各类毒性污染物的过程原理；制备出具有“光子晶体”结构的光催化材料，发现光子晶体的“慢光效应”可有效提高光吸收效率；提出了基于能带理论，针对不同的污染控制目的的半导体“异质结”的设计和制备方法，制备出具有p-n、n-n或Schottky (肖特基)型异质结构的光催化材料，发现其内建电场可有效分离光生电荷；研制出Ag-TiO2/HAP/Al2O3光催化分离膜，具有分离、光催化、灭菌和减缓膜污染等多功能；针对水中抗生素类污染物的去除，设计并制备了纳米复合磁性材料，实现对测试的3种磺胺类抗生素的吸附去除率均接近100%，阐明了磁性对吸附作用的影响规律及作用原理；发展了碳纳米管电增强吸附方法，对PFOA等污染物的吸附量提高100余倍，吸附速率提高70倍，并研制出小型流动电辅助吸附装置；成功制备出基于碳纳米管、石墨烯和掺杂金刚石等碳材料的电极，实现对卤代污染物的高效完全电化学脱卤，探明其过程原理；筛选出高效削减典型消毒副产物的基于稀土元素剂Ce的催化剂，有效控制了臭氧氧化过程中有害消毒副产物的形成，完成中试研究。. 上述研究成果对理解微纳米材料在水污染控制中的原理和特性，并发展基于功能性微纳米材料的新型、高效的水处理技术具有重要学术价值。. 项目执行过程中培养出站博士后1名、毕业博士生12名、毕业硕士生8名；申请国家发明专利19项（其中4项已授权）；发表论文65篇(其中SCI收录60篇)，影响因子大于5.0的文章24篇，包括化学领域重要刊物Angew Chem Int Edit 1篇、环境领域重要刊物Environ Sci Technol 9篇；项目负责人全燮教授应《化学进展》及Current Organic Chemistry编辑特邀，撰写了两篇关于纳米光催化材料在环境污染控制领域的研究进展的综述文章；项目成员在国际会议上作邀请报告4人次。