基于太阳光/混合催化剂/过一硫酸盐催化氧化对地下水难降解有机物的原位控制研究

In China, the groundwater especially shallow groundwater has been widely polluted by organic pollutants. The sunlight-driven photocatalytic technology and sulphate radical-based advanced oxidation technology have been reported to degrade persistent organic pollutants. Some hybrid catalysts that can be radiated by sunlight to generate different oxidation radicals and can also activate peroxymonosulfate (PMS) to generate sulphate radical, have been reported. The synergistic effects among sunlight, hybrid catalyst, and PMS, the generation of different oxidation radicals and the reaction mechanisms in the system of sunlight/hybrid catalysts/PMS, are not clear yet. The objective of this study is to develop an in-situ groundwater remediation of persistent organic pollutants. To solve the application constraint of the sunlight-driven photocatalysis technology, the optical fiber technology will be applied to direct the sunlight to the shallow groundwater. An advanced catalytic oxidation system that combines the sunlight-driven photocalysis and PMS-based advanced oxidation, will be built. Optimization of the physiochemical properties of the selected hybrid nanocatalyst will be conducted to achieve the best performance. Impacts of system operational parameters on the degradation of target pollutant perfluorobutanoic acid (PFBA) will be studied and optimum values will be determined. The effect mechanism of groundwater quality on the degradation of PFBA by the system will be explored. Finally, the degradation pathway of PFBA by the system will be proposed. This study will provide a new insight to solve the urgent groundwater organic pollution crisis.

我国地下水尤其浅层地下水普遍受到有机物污染。太阳光催化技术和基于硫酸根自由基的高级氧化技术都可降解有机污染物。目前的研究报道了可同时被太阳光激发产生氧化自由基和激活过一硫酸盐（PMS）产生硫酸根自由基的纳米混合催化剂。太阳光、混合催化剂和PMS三者之间的协同综合效应、各种氧化自由基的生成特性及催化氧化机理尚不清楚。本研究以开发一项浅层地下水原位修复有机污染的技术为目标，围绕太阳光催化的应用局限，建立一个利用光纤技术把太阳光引入浅层地下水并结合太阳光催化和基于PMS的高级氧化过程于一体的太阳光催化氧化系统（简称系统）；调控筛选的催化剂的物理化学性质以达到最优催化氧化效率；掌握系统参数对系统降解去除目标有机污染物全氟丁烷羧酸的影响，提出最优系统参数；研究地下水水质对系统反应效率的影响机制；阐明系统对目标有机污染物的降解机理。本研究为解决地下水有机污染提供了新思路。

我国地下水尤其浅层地下水普遍受到有机物污染。太阳光催化技术和基于硫酸根自由基（SO4·−）的高级氧化技术都可降解有机污染物。目前的研究报道了可同时被太阳光激发产生氧化自由基和激活过一硫酸盐（PMS）产生SO4·−的纳米混合催化剂。太阳光、混合催化剂和PMS三者之间的协同综合效应、各种氧化自由基的生成特性及催化氧化有机污染物的机理尚不清楚。本研究以开发一项浅层地下水原位修复有机污染的技术为目标，围绕太阳光催化的应用局限，建立一个利用光纤技术把太阳光引入浅层地下水并结合太阳光催化和基于PMS的高级氧化过程于一体的太阳光催化氧化系统。..本研究从复合催化剂的制备与表征、污染物催化降解效率的提升、水质参数影响机制、有机污染物的降解机理等方面展开研究，在此基础上构建了针对浅层地下水有机污染的太阳光催化氧化原位处理系统，并对系统的操作参数进行了优化研究。..本研究的主要结论如下：..1．构建半导体异质结结构有助于电荷转移及活性物质的大量产生，能有效抑制光生载流子的复合。.2．半导体的元素掺杂能够有效降低禁带宽度，拓展其对太阳光光谱的吸收范围，而含碳材料对于催化剂的修饰可以解决元素掺杂所带来的光生电荷多次复合的问题。.3．光照和催化剂本身均可以实现PMS的激活，且光照可以实现催化剂的高效激发，多种途径实现污染物去除效率的提升。.4．PMS被激活后会产生SO4·−，SO4·−既可以作为主要的活性物质种类，也可以发生转化形成其他活性物质。.5．稳固的吸附模式与反应体系中的活性物质可以共同实现全氟辛酸（PFOA）的高效降解去除，理论计算可以在数据层面对所取得的实验结果提供理论支撑。.6．溶胶-凝胶法可以将催化剂粉末牢固地固定在光纤表面，负载催化剂材料的光纤对于模拟地下水系统中低浓度的四环素具有稳定高效的去除效果。..本研究为解决地下水有机污染危机、保障地下水利用安全提供了崭新的思路和技术支持。