核壳型磁性纳米材料的表面构筑及其催化净水机理研究

Heterogeneous catalytic ozonation is one of the most promising techniques for refractory organic pollutants removal, and the development of high efficient catalyst is crucial for its practical application. In this project, we will develop a cost-effective method to synthesize core/shell magnetic nanocatalyst for water treatment, and improve its activity and stability through surface fabrication. This study focus on the adsorption and degradation mechanisms of organic pollutants on the solid-liquid interface. The decomposition rates and pathways of organochlorine pesticides will be investigated, and the active species will also be determined. The surface properties and adsorbed substances on the catalyst during the catalytic ozonation process will be analyzed using various characterization methods. Based on the above studies, we will reveal the relationship between the surface property and the catalytic performance of the catalyst, and explain the interface reaction mechanism, which will provide theoretical basis for the synthesis of high efficient catalyst and the optimization of reaction technology. Thereafter, we will establish a heterogeneous catalytic ozonation reactor for water treatment using the most excellent catalyst. The technology parameters will be optimized through the kinetic studies of pollutants degradation. This work will provide technical support for the removal of refractory organic pollutants in water.

针对水中难降解有机物的去除和多相催化净水技术的发展瓶颈问题，本项目提出研制核壳型磁性纳米臭氧催化剂，通过多组分外壳的有效构筑提高催化剂的活性和稳定性，重点处理水中的难降解有机物（有机氯农药类），研究污染物的降解途径、矿化率以及催化剂在反应过程中表面性质和吸附物种的变化，并准确识别反应涉及的活性物种，着重分析污染物在固液界面的吸附降解过程，揭示催化剂表面与污染物及其降解产物的相互作用规律，阐明其微界面催化反应机理，为高效催化净水材料的研制和反应工艺的优化提供理论依据。在此基础上，筛选性能最佳的催化剂并建立多相催化臭氧化水处理反应器，研究污染物降解动力学，确定最佳工艺参数，为水中难降解有机物的去除提供技术支持。

针对水中难降解有机物的去除和多相催化净水技术的发展瓶颈问题，本项目通过氧化沉淀法制备了一系列核壳磁性纳米材料和复合金属氧化物，对材料的结构形态、元素组成和表面性质进行表征分析，并探讨了材料的合成机理。所制备的材料均有明显的层级核壳结构，外壳为非晶态复合金属氧化物。通过控制前驱体离子的吸附和晶体的生长速率可以有效调控材料外壳的组成，从而调控其表面性质。外壳中锰、钴氧化物含量增多，其表面电负性明显增强，而铁氧化物含量的增加则能提高其电正性。对比研究不同核壳材料对水中有机污染物的吸附和催化性能，发现铁锰钴氧化物为外壳的材料对水中污染物具有最好的催化臭氧化效果，能够促进O3 分解生成羟基自由基，从而提高对污染物的降解率和矿化率。通过分析催化剂反应过程中表面性质的变化并结合自由基捕获和产物分析结果，研究了污染物在固液界面的吸附降解机理，发现催化剂表面电负性增强，有利于臭氧分子的吸附和分解，但不利于有机中间产物小分子羧酸的吸附，污染物的降解机理包括：臭氧分子吸附到催化剂的电负性或酸性表面，然后被变价金属氧化物分解生成羟基自由基；污染物被溶液中的臭氧和自由基氧化分解生成小分子羧酸，羧酸阴离子吸附到催化剂电正性表面，最后被催化剂表面产生的羟基自由基氧化分解。铁锰钴复合金属氧化物由于具有合适的比表面积和表面电负性，对臭氧和有机物均有较好的吸附效果，从而表现出最佳的催化活性。此外还研究了pH、污染物浓度、催化剂和臭氧投加量等条件对材料催化性能的影响，确定了最佳反应条件。最后考察了催化剂的循环使用稳定性，并对反应前后的催化剂进行表征分析，发现铁锰钴氧化物具有良好的稳定性，多次循环后仍有很好的催化活性，吸附到催化剂表面的有机物已被进一步的矿化去除。该研究为高效催化净水材料的研制和反应工艺的优化提供理论依据，并为水中难降解有机物的去除提供技术支持。