过渡金属负载炭基材料活化过硫酸盐降解水中有机污染物开题报告

1. 研究目的与意义、国内外研究现状（文献综述）

随着社会的快速发展，废水中有机污染物的聚集会对生态系统和人类健康造成威胁。各种方法已被报道用来去除废水中的有机污染物，如吸附，生物降解，光催化降解，高级氧化工艺和声化学工艺。然而，如何开发简单、安全、高效的废水处理方法仍是一个挑战。高级氧化工艺（advanced oxidation process）在污染物的完全降解方面是一个十分有效地方法，其通过产生强氧化性的自由基可以使得目标污染物矿化，最终转化为h20和co2[1]。由于选择能力强、反应速度快，高级氧化技术对污水中一些难降解的有机污染物具有很好的去除效果[2]，引起了众多研究者们的关注。

近年来，基于过硫酸盐的高级氧化工艺在处理难降解有机污染物方面展示出巨大优势[3]。过硫酸盐包括过一硫酸盐（pms）和过二硫酸盐（pds）。与传统芬顿工艺中使用的h2o2氧化剂相比较，过硫酸盐的优势十分明显。过硫酸盐固体性质稳定使得其更易于保存以及运输，同时成本也较为低廉，最重要的是过硫酸盐活化过程中可产生氧化还原电位更高的so4-（2.5-3.1v），使得过硫酸盐在有机污染物氧化降解方面更具潜力[4-6]。由于过硫酸盐在室温下具有良好的稳定性，所以单独使用过硫酸盐很难降解有机物，需要对过硫酸盐进行活化[7]。热处理、紫外光、太阳能或超声波等物理方法都可以活化过硫酸盐。薛[8]总结了紫外光活化过硫酸盐的研究进展，发现uv消耗能量少，不易产生二次污染，但是污水中有机污染物对紫外线的吸收导致紫外光的利用效率低。付[9]等利用超声联合热的方法活化过硫酸盐处理渗滤液，提高了渗滤液中污染物的降解效率。这些物理活化方式在工程化应用中装置复杂、成本高，限制了其规模化应用。在近些年，研究者们发现过渡金属可以十分高效的活化过硫酸盐产生活性氧物种。其中，过渡金属（铁、钴、镍等）具有经济成本低、效率高等优点，然而在反应过程之中，因金属离子浸出而导致的二次污染问题必须高度重视。例如，钴离子可以高效活化过硫酸盐产生硫酸根自由基[10]，但是钴基催化剂在活化过程中不可避免地发生了钴离子浸出现象[11, 12]。如何在不影响催化活性的基础上减少金属浸出是一个亟待解决的关键问题。非金属碳催化材料可以避免金属溶出造成的二次污染问题，有望成为应用于高级氧化工艺的新型绿色催化剂[4]。多孔碳质材料如石墨化碳、活性炭纤维、中孔碳等都可以作为催化剂的载体甚至可以直接作为催化剂参与过硫酸盐的活化过程[13]。duan[14]首次评估并比较了不同维度的碳纳米材料(0d-3d)活化过硫酸盐的性能，研究结果表明单壁碳纳米管、还原氧化石墨烯和中孔碳都能有效活化过硫酸盐，而富勒烯、纳米金刚石和石墨氮化碳的活化能力比较低。为了进一步提高这些碳基材料的催化性能，金属负载是很好的选择。碳基材料的表面化学性质会受到金属掺杂的影响而发生变化，其物理化学性质也因所掺杂的金属的种类而异。目前已有多篇文献报道金属负载对催化性能的提升是很大的。此外，杂原子（如氮[15]、硫[16]、硼[17]等）掺杂、表面官能团修饰[18]也被证明是提高碳基材料催化活性的有效途径。然而，由于表面活性位点有限，原始碳材料的催化性能不尽如人意，如何提高低成本的碳基材料的催化活性是一个研究热点。将过渡金属负载在碳材料上，不仅可以进一步增加碳催化剂的比表面积，增加活性位点，显著提高原始催化剂的催化活性[19]，而且可以有效避免金属溶出导致的二次污染问题。值得一提的是，负载在碳质材料表面的金属离子还可以赋予碳催化剂以磁性，使之易于磁性分离，有利于碳材料的回收利用[20]。 本文总结了用过渡金属负载碳材料活化过硫酸盐降解有机污染物的相关研究进展，主要包括三个方面的内容，一是金属掺杂碳基材料的主要合成方法，二是过渡金属负载碳催化剂在高级氧化领域中的应用，三是过渡金属掺杂碳基材料面临的挑战及未来的展望。

2. 研究的基本内容和问题

一、研究目标（1）了解过渡金属负载炭基催化剂降解污染物的研究手段，掌握相关实验方法（2）目前关于过渡金属负载降解有机污染物方面的综述性文章还较少，对于活化过程的自由基机理和非自由基机理认识不足，本课题旨在通过相关文献资料整理，对近五年过渡金属负载的碳催化剂（活性炭、石墨烯、生物质炭、碳纳米管）活化过硫酸盐降解有机污染物方面的相关应用进行总结，分析当前研究的不足并指明研究方向，二、研究内容（1）高级氧化技术的发展、基于过硫酸盐的高级氧化工艺研究现状（2）过渡金属负载活性炭吸附和降解污水中有机污染物的应用（3）过渡金属负载生物质炭吸附和降解污水中有机污染物的应用（4）过渡金属负载石墨烯吸附和降解污水中有机污染物的应用（5）过渡金属负载碳纳米管吸附和降解污水中有机污染物的应用

三、拟解决的关键问题

通过总结过渡金属负载的碳催化剂活化过硫酸盐降解有机污染物的研究，总结当前研究的不足，指出未来研究方向。

3. 研究的方法与方案

一、技术路线（1）探究基于过硫酸盐的高级氧化技术的发展 过硫酸盐的优点、过硫酸盐的活化方法比较、不同催化剂反应体系的研究（2）过渡金属负载碳催化剂的合成方法 浸渍热解法、共沉淀法、还原共沉积法、水热炭化法。（3）探究复合材料的催化性能 探究过渡金属负载的主要四种碳基催化剂在吸附和降解有机污染物方面的应用，相比于原始碳催化剂，负载金属后是否对吸附和降解有机污染物有正向促进作用，负载后金属离子的浸出如何，降解污染物的主要机理是什么，材料的稳定性和重复利用性怎样。二、可行性分析碳材料在催化降解有机污染物方面展示出独特的优势，有望成为新型绿色催化剂，基于过硫酸盐的高级氧化工艺近年来发展迅速，研究方法已相对成熟，指导教师在该方面有一定的研究基础，实验室具备了比较完善的实验条件，为开展这项研究提供保障。

4. 研究创新点

当前研究关于过渡金属负载的碳材料的相关综述较少，关于反应的机理也缺乏总结性的整理，本课题通过分析过渡金属负载的四种炭基材料——活性炭、生物质炭、石墨烯、碳纳米管在环境中的应用，总结当前研究的不足指出，指明未来的研究方向。

5. 研究计划与进展

一、研究计划：2019.12 -2020.3 搜集文献，查阅资料，完成开题报告；2020.4通过阅读相关文献确定论文框架，对该课题有进一步认识，完成论文初稿；2020.5 毕业论文定稿，制作相关PPT，完成毕业答辩。 二、预期进展：1. 通过阅读文献了解过渡金属负载碳基催化剂的最新研究进展，掌握过渡金属负载不同碳催化剂降解水中有机污染物的反应机理，掌握相关的研究方法，了解过渡金属负载碳催化剂的合成方法，试图通过文献阅读与资料整理了解当前研究存在的不足，使得过渡金属负载的碳催化剂可以投入到实际工程应用中成为可能，使其更好的服务于水污染防治，为碳催化剂的不断发展和完善提供理论与实践依据。2. 对科学研究（包括查阅文献资料、在科学研究中提出问题、设计实验、对数据处理与样品分析、论文撰写等）有进一步认识，学习论文管理软件Endnote的使用，掌握制图软件Origin基本操作，形成毕业论文一份。