铁基材料催化臭氧形成高级氧化作用的构效关系与机制研究

The heterogeneous catalysis is an important pathway to catalyze ozonation to form advanced oxidation process. This research put emphasis on the structure activity relationship between catalytic ozonation and various iron based materials, revealing the correlation among the structures and composition of metal compounds, the structure and phase transformation, and the generation of active species, exploring the mechanism of self-catalysis and multi transition metals synergistic catalysis, studying the impacts of small molecule intermediates on the generation of active species during ozonation catalyzed by iron based materials and focus on their stimulation, promotion, and quenching effects. Two recalcitrant organics p-Toluene sulfonic acid (p-TSA) and p-Nitrophenol (PNP) were chosen as model pollutants to investigate their degradation process and their intermediates in heterogeneous catalytic ozonation system. Based on the scientific research, conclude the morphology and composition of iron based materials and their influence on the catalysis effect, the self catalysis and synergistic catalysis effects of various species during the ozonation, and establish the preliminary theory system of heterogeneous catalytic ozonation that using iron based materials as catalysts. Construct an integrated mechanism model for the catalytic ozonation degradation of organic contaminants with iron based materials as catalysts, and finally contribute theoretical basis to the new wastewater treatment technique.

非均相催化过程是催化臭氧反应形成高级氧化作用的重要途径。本选题重点研究各种铁基材料与催化臭氧氧化作用之间的构效关系，廓清铁化合物的结构组成及其转化过程与活性物种生成之间的关联，探讨铁基材料自催化机制、铁基材料与多种金属元素协同催化的机制；研究小分子有机物对铁基材料催化臭氧反应形成活性物种的影响，聚焦其对活性物种的激发、促进与淬灭作用；以难降解有机物甲基苯磺酸（p-TSA）和硝基苯酚（PNP）为模型污染物，分析其高级氧化历程及降解中间产物。通过归纳铁基材料形貌结构与催化效果的关系、各种成份的自催化与协同催化作用，初步确立铁基材料催化臭氧氧化作用的理论体系，建立铁基材料催化臭氧降解有机物的机理模型，为新型污水处理技术提供理论支撑。

本研究探索了多种铁基催化剂如零价铁、泡沫铁镍合金、镍铁层状双金属氢氧化物、硅铁合金、硫化亚铁等，在臭氧氧化体系中催化臭氧分解生成活性物种的过程，并结合各铁基材料在参与臭氧氧化反应前后的形貌结构与价态组成的变化，提炼总结出其构效关系和形成高级氧化作用的工作机制。本研究还探讨了以不同铁基材料为催化剂的催化臭氧氧化系统对部分水中有机污染物如双酚A、对甲苯磺酸、对硝基苯酚、布洛芬、对氨基苯磺酰胺等的氧化降解情况，分析了各项影响因素对有机物降解过程的影响，并在一些实际有机废水如煤化工废水、制药废水、石化废水的深度处理中进行了结果验证。. 研究表明，铁或包含铁的双金属氢氧化物具有高密度的表面酸性位点和表面羟基，两者均是臭氧吸附分解的关键活性位点，臭氧分子与活性位点之间发生界面反应，促使活性自由基的产生。零价铁及合金在臭氧所致的强氧化氛围下可被氧化形成金属氧化物、金属氢氧化物及金属羟基氧化物，新生的氧化物具有巨大的比表面积和出色的催化活性，可促使臭氧分解为各种活性自由基。在铁基材料催化臭氧氧化系统中检测到的活性物种包括•OH、1O2和•O2-等，在硫化铁催化臭氧氧化系统中还发现了•SO4-的存在。这些氧化性更强的活性物种可加速水中有机污染物的降解和去除，起到深度处理有机废水的效果。. 本项目的成功实施为深入理解以铁基材料为催化剂的非均相催化臭氧氧化作用机制提供了理论支持，可推动相关技术的进一步应用和发展。