水华环境下光催化除藻剂光-氧耦合驱动机制与效应研究

Eutrophication and harmful algal bloom are major environmental issues for urban water bodies. It's hot-point and future trend to purify the environment by making the most of the natural condition and natural law in environmental protection. In the research of purifying eutrophication water and controlling algal bloom pollution, disadvantages and limitations are existed in the technology of removing nitrogen, immobilizing phosphate, removing algae and degrading microcystin. Aiming at solving these problem, we build a ternary composite supported by anionic clay-hydrotalcite. The other two compositions are iron-bearing minerals and Cu2O which can produce H2O2 through dissolved oxygen with the excitation of visible light. To control eutrophication and harmful algal bloom with this ternary composite, we use hydrotalcite to remove nitrogen, phosphate and capture algal cells through adsorption. At the same time, immobilized-Fenton process is constructed by Cu2O and iron-bearing minerals. Driven by the control factor of algal growth-light and dissolved oxygen, Cu2O can generate H2O2 in situ. This H2O2 would construct Fenton process with iron-bearing minerals, and then oOH is produced to kill algae cell and degrade microcystin thoroughly. By building this ternary composite, multiple functions like removing nitrogen, immobilizing phosphate, removing algae and degrading microcystin are realized. In this project, the effect of different natural conditions and organic matter on removing nitrogen, immobilizing phosphate, removing algae and degrading microcystin will be investigated; the structure-activity relationship as well as synergistic and coupling mechanism will also be studied, so that we can lay the foundation for the industry application of this composite.

水体富营养化和水华藻类污染是城市水体重大环境问题，充分利用自然条件和规律净化环境污染是环保领域的研究热点和发展趋势。针对目前富营养化水体净化和水华污染治理中除氮固磷和除藻、降解藻毒素研究的关键科学问题，本项目以阴离子型粘土水滑石为载体，将可见光激发下能利用水体溶解氧产生过氧化氢的氧化亚铜和铁基矿物构建三元复合材料，利用水滑石的阴离子交换性能去除氮磷、吸附捕集藻细胞；利用氧化亚铜在水华藻类繁殖的自然光驱动下直接活化溶解氧原位产生过氧化氢，与铁基矿物构建原位异相光-Fenton体系，产生强氧化性的羟基自由基，彻底杀灭藻细胞和分解藻毒素，实现除氮固磷、捕集杀灭藻细胞和彻底降解藻毒素等多功能一体化耦合。考察复合材料光-氧耦合驱动下持续稳定的过氧化氢供给和高效催化分解为羟基自由基的机制和环境效应，探讨复合材料的构效关系和多功能一体化集成的协同机理，为水华自然条件下的工业化应用提供理论基础和技术支撑

水体富营养化和水华藻类污染是城市水体重大环境问题，充分利用自然条件和规律净化环境污染是环保领域的研究热点和发展趋势。针对目前富营养化水体净化和水华污染治理中除氮固磷和除藻、降解藻毒素研究的关键科学问题，本项目以阴离子型粘土水滑石为载体，将可见光激发下能利用水体溶解氧产生过氧化氢的氧化亚铜和铁基矿物构建三元复合材料，利用水滑石的阴离子交换性能去除氮磷、吸附捕集藻细胞；利用氧化亚铜在水华藻类繁殖的自然光驱动下直接活化溶解氧原位产生过氧化氢，与铁基矿物构建原位异相光-Fen ton体系，产生强氧化性的羟基自由基，彻底杀灭藻细胞和分解藻毒素，实现除氮固磷、 捕集杀灭藻细胞和彻底降解藻毒素等多功能一体化耦合。我们通过对水滑石载体材料的系统化筛选和性能研究，对Mg/Fe、Mg/Al/Fe、Mg/Al、Mg/Al、Fe/Al等不同层板阳离子类型水滑石和硝酸根型、氯离子型等不同层间阴离子型水滑石的合成及对氮、磷、天然有机质（腐殖酸）、铜绿微囊藻的吸附捕集性能进行了深入研究，筛选出Mg/Al 水滑石（氯离子型）用于氮磷吸附去除和天然有机质、藻细胞的吸附捕集。 本项目通过考察氧化亚铜在可见光激发下持续稳定产生过氧化氢的性能，系统研究了水华环境条件（光照、溶解氧）变化对过氧化氢产生性能、藻细胞的杀灭性能、藻毒素的降解性能的影响。结果发现，氧化亚铜在可见光激发下，能持续稳定产生过氧化氢，实现过氧化氢连续12小时以上的持续稳定供给，为铁矿石光催化分解过氧化氢产生羟基自由基奠定了基础。通过对四种铁矿石/水滑石复合材料对过氧化氢的分解性能比较研究，发现磁铁矿具有较好的光照分解过氧化氢产生羟基自由基的性能。以此为基础，我们选用水滑石/磁铁矿/氧化亚铜三元材料作为本项目研究的新型复合材料，考察模拟水华发生时的自然光照、水体溶解氧浓度等因素对复合材料除藻性能和光催化降解藻毒素的性能的研究，探讨了水华环境下光-氧耦合机制对复合材料除藻性能的影响。为利用水华环境下的自然条件和自然资源，实现除氮固磷、 捕集杀灭藻细胞和彻底降解藻毒素等需求提供了多功能一体化解决方案，研究结果符合预期设想，达到了预期目的。