插层限域热转化法可控构建纳米金属氧化物/石墨烯催化剂高效催化氧化降解抗生素行为和机理研究

In this project, in order to address the situation of difficult antibiotic residues treatment, we will centralize the advantages from metal oxide nanomaterials and graphene, select water-soluble sodium lignosulfonate as carbon source, hydrotalcite-Like compounds as intercalation confinement template, to design and construct the nanometer metal oxide/graphene catalyst, via the combination of micro-wave heating, intercalation technology and thermal transfer at high temperature. Deep study on the preparation and controllable regulation of sodium lignosulfonate intercalated hydrotalcite and nanometer metal oxide/graphene catalyst, formation process and mechanism of nanometer metal oxide/graphene catalyst and the law of phase transformation,the synergistic relationship between the structure characteristics, chemical composition, surface properties, growth orientation of nanometer metal oxide/graphene catalyst and catalytic oxidation degradation of antibiotic properties. Also study on reaction thermodynamics, kinetics and degradation mechanisms of metal oxide nanoparticles/graphene catalyst for catalytic oxidation degradation of antibiotic residues, establish a new method of green and efficient catalytic oxidation degradation of antibiotic residues. Through the smooth implementation of this project, the new ideas and new methods of deep sewage treatment method for antibiotic residues will be created, and the resourceful treatment for industrial lignin transformed to high value-added graphene will be also provided.

本课题旨在针对抗生素残留难处理现状，集中纳米金属氧化物和石墨烯的优势，拟选取水溶性木质素磺酸钠为碳源，类水滑石为限域模板和催化剂，利用微波加热、水滑石插层和高温热转化技术相结合，构建纳米金属氧化物/石墨烯催化剂体系，系统研究木质素磺酸钠插层类水滑石的微波反应制备和调控规律；木质素磺酸钠插层类水滑石限域热转化纳米金属氧化物/石墨烯催化剂的制备和调控规律；纳米金属氧化物/石墨烯催化剂体系的形成过程和机理以及物相转化规律；纳米金属氧化物/石墨烯催化剂的结构特性、化学组分、表面性质、生长取向与催化氧化降解抗生素性能的协同关系；纳米金属氧化物/石墨烯催化剂催化氧化降解抗生素残留的反应热力学、动力学规律和降解机理；建立绿色高效催化氧化降解抗生素残留的新方法。本项目的实施将提供一种高效去除抗生素残留污水处理的新思路和新方法，同时也为工业木质素向高价值石墨烯材料转化提供资源化处理技术。

抗生素是水环境中的典型污染物，属于生物难降解物质，具有高生物活性、持久性和生物富集性。虽然水体中抗生素残留处于痕量水平，但通过不断积累和食物链传递作用，对生态系统和人类健康产生严重危害，如引起细菌耐药性增加、影响动植物生长和繁殖、引起人体慢性中毒及“三致”作用等。因此，探索低成本、高效抗生素残留深度处理方法已成为当前环境保护领域的研究热点和亟待解决的重大问题。.本项目以水溶性木质素磺酸钠为碳源、类水滑石为限域模板和催化剂，采用同步插层或两步插层法实现了木质素磺酸钠的可控插层及机制调控，并结合高温碳化和低温氧化技术构建了纳米金属氧化物/石墨烯催化剂体系。层间距的调控分析和插层材料中磺酸根具备的苯环和S-O键的发现，验证了木质素磺酸钠在不同类水滑石中的有效插层，并得到了插层调控和物相转化规律。该催化剂体系对抗生素的降解效果较好，短时间内可以实现对抗生素的完全催化降解。其中，三元类水滑石的催化性能要优于二元类水滑石的催化性能，10 mg三元类水滑石活化PMS对四环素的降解率10 min内可达97%；木质素磺酸钠插层后的催化剂的催化性能要明显优于未插层的类水滑石的催化性能，其中5 mg的CZA/GO、CCA/GO活化PMS在15 min内对四环素的降解率可达100%。通过上述研究得到了金属氧化物/石墨烯催化剂体系催化氧化降解抗生素残留的反应热力学、动力学规律和降解机理。在金属氧化物及其离子掺杂调控研究中发现，在主体金属氧化物中掺杂一定量的稀土离子可以显著提高金属氧化物的催化性能。除此之外，在木质素磺酸钠转化石墨烯的研究过程中还得到了不同木质素/石墨烯基碳材料，发现该系列材料可以对磺胺类抗生素实现有效吸附去除。该研究为抗生素残留及其他有机污染物的高效去除提供了新思路和新技术，为工业木质素向高价值石墨烯材料转化利用提供了一定的理论基础和实践借鉴，建立了绿色高效催化氧化降解抗生素残留的污水处理新方法。