介孔碳基非金属催化剂活化过硫酸盐体系修复1,4-二氧六环污染地下水及其机理研究

Metal-free catalysis, which is able to completely avoid the secondary contamination from metal leaching, exhibits broad application prospects in the activation of persulfate for removal of 1,4-dioxane (dioxane) in groundwater. However, there have been few studies on the activation of persulfate by mesoporous carbon. Moreover, to the best of our knowledge, there have not been any reports focused on the application of the carbocatalytic activation of persulfate for dioxane removal based on Permeable Reactive Barriers (PRB). In this project, a series of mesoporous carbon materials with different mesostructures, surface modification and doping atoms will be prepared and used as metal-free catalysts, which activate persulfate for catalytic oxidation of dixoane. The degradation of dioxane will be studied in both batch and column systems to evaluate the potential of a persulfate-enhanced PRB system for the removal of dioxane in simulated and real groundwater. Effects of parameters such as pH, temperature, groundwater velocity and concentration of carbonate, natural organic matters, metal ions and chlorinated solvents on the removal of dioxane will be researched, and then the activation mechanism of persulfate and dioxane degradation routes will be studied. It is expected that the results of the project will provide an efficient and green approach for dioxane removal, and a theoretic support for the application of PRB system in the remediation of groundwater pollution.

非金属催化剂可完全避免金属离子的二次污染，在活化过硫酸盐修复1,4-二氧六环（二氧六环）污染地下水方面具有广阔的应用前景。但目前关于介孔碳基非金属催化剂活化过硫酸盐的报道还不多见，而采用可渗透反应墙（Permeable Reactive Barriers, PRB）考察该体系在地下水修复中的应用更尚未见报道，且其净化机理也不明确。本项目拟构建具备不同结构、不同有机质修饰、掺杂不同杂原子的介孔碳材料作为催化剂，活化过硫酸盐作为氧化剂，通过氧化反应彻底去除地下水中的二氧六环。在以模拟水样为实验对象的基础上，取真实地下水样并构建PRB柱实验装置，考察通过活化体系改善的PRB方法原位修复二氧六环污染地下水的性能，研究水文水质条件、共存污染物等因素对二氧六环去除效能的影响，并对催化降解机理进行深入分析。本研究有望为二氧六环的高效去除以及采用PRB方法修复地下水污染的工程应用提供科学依据和技术支持。

非金属催化剂可完全避免金属离子的二次污染，在活化过硫酸盐修复污染水体方面具有广阔的应用前景。项目通过制备优化硼掺杂介孔碳、氮掺杂介孔碳、聚丙烯酸修饰介孔碳等多种介孔碳基材料，并探究了这些材料作为催化剂激活过硫酸盐去除水体多种难降解污染物及重金属的效能。结果表明：相较于未修饰介孔碳，硼掺杂介孔碳未能呈现更高的过硫酸盐催化能力，但其吸附重金属能力增强。另一方面，相较于未修饰介孔碳/过硫酸盐体系，氮掺杂介孔碳/过硫酸盐体系并未提高2,4-二氯酚去除效率，但去除砷的效率得到显著提高，这可能是由于含氮基团对重金属更高的亲和力。此外，相对于未修饰介孔碳催化剂，聚丙烯酸修饰后的催化剂可能由于羧基基团的增加，导致该介孔碳/过硫酸盐体系具有更高的盐酸四环素降解效率。项目还通过探究污染物转化途径及自由基产生机制研究反应机制。并将反应体系应用于模拟地下水及实际废水，结果表明该反应体系在实际应用中具有较高潜力。同时，项目还研究了硼掺杂介孔碳及氮掺杂介孔碳去除纯水、湖水、垃圾渗滤液等多种水体中重金属的性能机制。并通过微宇宙模拟实验探究生物刺激因子1-丁醇及四氢呋喃对实际地下水中1,4-二氧六环降解效能及机制的影响。