介孔结构复合金属氧化物非均相Fenton反应处理染料废水及其吸附-氧化增效机理研究

During the heterogeneous Fenton catalytic degradation of organic dye wastewater process, how to improve the catalytic efficiency and reuse stability are the key scientific problems to be solved. Based on the adsorption-oxidation enhancing effect of the dye wastewater to the surface of the catalyst, we will systematically prepare the mesoporous structure composites of metal oxides as the heterogeneous Fenton catalysts using the soft- and hard-template methods. Taking full advantage of the large mesoporous size, high specific surface area and easy nano-scale composites of various metal oxides, the diffusion resistance of the dye molecules will be effectively reduced and the number of the metal active sites will be greatly increased. At the same time, the distribution of the metal active sites will be more uniform and the redox potential synergies for different metals will be strengthened. We will also examine the structured parameters effects of mesoporous structure composites of metal oxides for the degradation properties of the dye molecules in detail. After that, the internal and conjoint mechanism of diffusion adsorption and oxidative degradation will be researched in depth. The successful synthesis of heterogeneous Fenton catalysts with high catalytic efficiency and good reuse stability will be our objective. This project is expected to effectively improve the diffusion and absorption capacity of the catalysts surface and the rate of the chemical reaction for the heterogeneous Fenton catalysts. The inherent relationship between the material structures, the surface physical and chemical properties and the catalytic properties will be mastered. Hence, in this project, the theoretical basis and method support for the design of Fenton catalysts with high catalytic properties will be provided.

在非均相Fenton催化降解染料废水过程中，如何提高催化剂催化效率和重复使用稳定性是亟待解决的关键科学问题。本课题基于增强染料分子向催化剂表面的吸附-氧化能效，采用软、硬模板法，系统可控合成介孔结构复合金属氧化物非均相Fenton催化剂。充分利用其大孔径、高比表面积的结构优势和易于实现催化剂表面多种金属氧化物纳米级复合的制备特性，有效降低染料分子扩散阻力，增加金属活性位数量和分布均一性，强化不同金属间的氧化还原电势协同作用。详细考察介孔结构复合金属氧化物的构筑参数对染料分子降解性能的影响，深入研究扩散吸附与氧化降解性能高效结合的内在机理，从而制备出高催化效率和良好使用稳定性的非均相Fenton催化剂。本项目有望有效提高非均相Fenton催化剂的表面扩散吸附能力和化学反应速率，揭示材料结构-表面物理化学属性-催化性能之间的内在关联，从而为高性能Fenton催化剂的设计提供理论依据和方法支持。

在非均相催化Fenton降解有机污染物过程中，非均相Fenton催化材料催化效率和重复使用稳定性的提高是亟待解决的关键科学问题。价格低廉、催化效率高、重复使用稳定性好和不易造成二次污染的非均相Fenton催化氧化材料制备是该体系综合性能优劣的关键因素。因此，设计制备可调变介孔金属氧化物，并深入研究材料形貌结构与相应催化性能影响具有重要意义。本项目基于以Fe、Mn、Cu金属氧化物为主，Al金属氧化物对上述金属氧化物进行复合的思路，制备了复合金属氧化物前躯体溶胶。以硅基分子筛MCM-41、SBA-15和KIT-6作为硬模板，借助溶剂挥发法、双溶剂法或硬模板表面修饰法制备有序介孔复合金属氧化物材料。发现介孔结构的使用能有效提高Fenton催化性能。以铝改性KIT-6为硬模板，制备了介孔Mn3O4催化材料，具体研究了催化剂内外表面金属活性位对降解维多利亚蓝B的影响。对介孔结构复合金属氧化物材料，运用软模板法构筑出介孔Fe-Cu复合金属氧化物等一系列高活性非均相Fenton催化材料，相关研究成果，通过国家自然科学基金的资助，发表SCI论文16篇，其中SCI一区1篇，二区4篇，三区7篇，四区4篇，申请发明专利10项，实用新型专利2项，授权1项。综上所述，通过应用软、硬模板法制备技术，积累了介孔结构材料非均相Fenton催化氧化难降解有机物的研究经验，这些前期工作的取得都为本项目的实施积累了丰富的理论和实践基础，提高了解决介孔制备科学和催化工程科学相结合领域问题的能力。本课题成果有助于提高染料大分子废水的Fenton 氧化处理技术，同时还可以拓展到其它工业，如制药、造纸、石油加工、垃圾渗滤液等难处理有机废液过程。因此，可进一步发展环境高级氧化处理技术，丰富Fenton催化材料的基础理论，解决目前非均相Fenton催化技术中的关键性科学问题，开发出具有我国自主知识产权的高性能非均相Fenton 催化材料及制备方法，为高效、环保、连续化高浓度难处理有机废液处理奠定坚实的理论和技术基础。