活性炭/HSO5-吸附与催化氧化耦合去除水中有机物及活性炭的可重复利用机理研究

基于过一硫酸氢盐（HSO5-）的硫酸根自由基高级氧化技术是目前难生化有机废水处理领域最新兴起的研究热点。申请者发现，活性炭/HSO5-耦合体系具有显著的协同效应，常温常压下可快速降解水中有机污染物，活性炭在多次重复或连续使用后其催化性能几乎没有改变。该体系反应条件温和，不受pH限制；操作简单；无需外加能量；无污泥产生；在有机废水处理领域极具发展潜力。该吸附与非均相催化共存的体系中，有机物被降解的机理是什么，活性炭为何能持续起到催化作用？本项目拟选取典型有机污染物，建立间歇和连续流装置，结合前人和申请者已有基础，首次系统研究活性炭/HSO5-体系对水中有机物的降解性能，阐明活性炭的表面性质、有机物的降解、HSO5-的氧化作用之间的相互影响机制，揭示有机物的降解机理和活性炭的可重复利用机理，为这一简单而出色的环境友好"无能耗、不失活"水处理新技术的实际应用，提供有力的理论和实验支持。

商品颗粒状活性炭和活性炭纤维，能够在常温、常压下直接催化分解过一硫酸氢盐,从而降解典型难生化型有机污染物。活性炭/过一硫酸盐耦合体系具有显著的协同效应，降解反应符合一级反应动力学，降解性能受活性炭投加量、过一硫酸氢盐浓度、有机物浓度等因素影响。活性炭材料在催化过一硫酸氢盐降解有机物时，具有相对的可重复利用性能，该性能与活性炭材料的结构、表面性能有关，并依赖于氧化剂浓度等条件。颗粒状活性炭相对缓慢的吸附速率和较低的吸附容量，保证了其催化性能可重复性；而活性炭纤维由于对有机物较快的吸附速率和较高的吸附容量使其催化性能的可重复较差。研究发现，活性炭材料的吸附作用和催化作用是相互影响的：吸附于活性炭表面的有机物或降解中间产物对催化作用是不利的，另一方面，过一硫酸氢盐与活性炭之间的催化氧化作用则会改变活性炭的表面化学性质，从而降低活性炭对有机物的吸附能力，但对其催化过一硫酸氢盐从而降解有机物的抑制作用并不明显。活性炭材料的表面性质显著影响着其吸附性能和催化性能。在酸性染料的降解中，表面微量的氮元素对催化起着至关重要的作用，其中硝基会明显抑制催化作用，而吡啶和胺类等基团会促进催化反应的进行。重复利用性能较差的活性炭纤维在表面碱性改性之后可重复利用性能明显提高。活性炭材料催化过一硫酸氢盐产生的硫酸根自由基和羟基自由基是反应的主要活性物种，反应主要发生在催化剂近表面。在对典型偶氮染料的降解过程中，偶氮键首先分解，然后分子中的苯环和萘环也得以破坏。本研究系统探讨了活性炭材料与过一硫酸氢盐耦合体系对水中有机物的降解性能，深入地揭示了活性炭催化剂的的表面性质、有机物的吸附作用、过一硫酸氢盐的氧化作用之间的相互影响机制。该技术无需外加能量、操作简单、无污泥产生，研究结果将为活性炭材料的催化性能研究和基于过一硫酸盐的新型水处理技术开发，提供有力的理论与实验支持。