有机小分子/UV185体系中H2O2原位生成机制及耦合Fe3O4复合金属氧化物降解氟喹诺酮类药物研究

Vacuum ultraviolet (UV185) photo-oxidation of organic pollutants in water is drawing more and more attentions in recent years. It is found by our group and other researchers that the formation of H2O2 under UV185 irradiation was promoted due to the presence of organic small molecules, but the exact mechanism is unclear. In addition, the catalytic capability of iron based catalysts in organic small molecules/UV185 process remains unknown. Therefore, this study will examine the role of organic small molecules on H2O2 formation under UV185 irradiation and building a kinetics model to predict the concentration of H2O2 during reaction. The rare-earth metals doped Fe3O4 catalysts will be prepared and their performance will be evaluated in batch experiments by using quinolones as the target compounds. The influence of catalyst components and structures on the kinetics and pathways of quinolones degradation will be clarified. The catalytic mechanism of Fe3O4 under UV185 irradiation will be proposed based on the transformation of the real active species. This study will develop a new photochemical advanced oxidation technology, and provide theoretical basis for the future research about and the application of vacuum ultraviolet technology in water treatment.

真空紫外（UV185）光氧化降解水中有机污染物技术是近年的研究热点。课题组前期研究及相关报道表明在UV185辐照下有机小分子可促进H2O2产生，但其生成机制尚不明确，同时铁基催化剂联合有机小分子/UV185降解有机物的效能也未知。因此本课题拟选取一系列不同结构的有机小分子，考察其在UV185辐照下原位诱发H2O2生成的机制和效率，构建预测H2O2即时浓度的数学模型；合成并优化Fe3O4复合金属氧化物光催化剂，阐明催化剂组分和微观结构对有机小分子/UV185/Fe3O4工艺降解氟喹诺酮类药物动力学和反应路径的影响；最终，结合动力学结果和氟喹诺酮类药物降解路径的差异，解析复合Fe3O4的催化机制以及UV185对其催化性能的影响及其机制，探明反应中活性物种的生成和转化规律，进而为该工艺的优化提供科学依据。本课题有望提供一种新型光化学高级氧化技术，并为未来真空紫外水处理技术研究和应用提供理论基础。

真空紫外（VUV）光氧化技术在降解水中有机污染物方面具有很大的优势与潜力。本项目中以辐射185 nmVUV的低压汞灯为研究对象，研究了有机小分子促进VUV光驱动H2O2原位生成的动力学模型和机制，构筑了基于VUV响应的Fe3O4复合金属氧化物光催化剂，探明了VUV光芬顿氧化去除水中氟喹诺酮类药物（FQs）的效能和机制。首先，通过控制溶解氧、动力学模型拟合、荧光分子探针技术等，证实了VUV辐照水有氧条件下原位产生O2•-且溶解氧对于•OH和O2•-的生成具有促进作用，发现有机小分子的结构与特性对于H2O2的生成速率有显著影响，探明了VUV辐照纯水及有机小分子生成H2O2的规律，构建了VUV辐照纯水过程中H2O2生成的动力学模型，揭示了有机小分子促进VUV光驱动H2O2原位生成的机制。在此基础上，制备了基于VUV响应的复合金属氧化物光催化剂Fe3O4/ZnO（质量比1:2），表征了复合光催化剂的结构与化学组成，发现在VUV辐照下光催化反应15 min后NOR的去除率从47.3%提升至82.7%（pH=4.0），光催化过程中产生的•OH、O2•-和空穴以及直接光解协同去除NOR，推断了NOR的降解路径并评估了毒性变化。最后，构建了高效快速降解FQs的VUV光芬顿体系，研究了该过程中的作用机理与FQs降解机制，VUV光芬顿工艺降解NOR、CIP和PEF的速率常数分别是VUV辐照下的1.8倍、2.0倍和1.9倍，VUV和Fe2+之间通过VUV加速铁氧化还原循环产生协同作用生成更多ROS，原位生成的H2O2在VUV/Fe2+氧化体系中发挥重要作用。研究成果为VUV基高级氧化技术在水处理中的应用提供了理论指导，对去除水中FQs保障出水水质具有重要意义。