课题基金 / 基金详情

高密度分散可控碳基单原子钴催化过硫酸盐去除水中抗生素机理研究

批准号:
52100069
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
冀豪栋
学科分类:
工业水处理与回用
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
冀豪栋

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
鉴于抗生素在天然环境中的不断检出给水污染控制带来了新的挑战,迫切需要研究水中抗生素去除的深度处理工艺,控制工业、生活和医药废水中抗生素的排放,对保护水环境具有重要意义。本课题以水中典型抗生素的去除为出发点,开发催化性能优异的高密度分散可控生物炭基单原子钴催化剂(Co-HSACs),以实现抗生素的高效去除。结合理论计算、材料表征及催化性能,探究吸附法合成条件对Co-HSACs形貌、 结构、组成、原子分散性和性质的影响。应用最优材料,全面研究该材料催化激发过硫酸盐去除典型抗生素(以β-内酰胺类为代表)的行为;并基于密度泛函理论(DFT)的分子动力学和量子化学计算,建立抗生素受活性氧物种攻击的降解模型,预测材料的催化位点以及抗生素的活性反应位点,以此揭示Co-HSACs、过硫酸盐与抗生素的三者之间的界面反应机理。项目旨在为功能材料加成高级氧化技术净化水中有机污染物的应用提供理论依据和技术支撑。
英文摘要
In view of the continuous detection of antibiotics in natural environment, which has brought new challenges for the water pollution control, there is an urgent need to develop advanced treatment technologies for the removal of antibiotics to eliminate the discharge of antibiotics from industrial, domestic and medical wastewater, and to protect the water environment. In this work, we will develop high-density and high-dispersion single-Co atom catalysts based on biochar (Co-HSACs) with excellent performance for the efficient removal of antibiotics. The key properties of Co-HSACs will be investigated, i.e., morphology, structure, composition based on the theoretical calculation, dispersion of single-atom, characterizations, and catalytic experiments. In addition, β-lactam antibiotics are selected as the model pharmaceutically active compounds. The radicals including hydroxyl and sulfate generation via activation of peroxymonosulfate (PMS) by Co-HSACs will be evaluated. Furthermore, mechanism of radical attacking, the active sites of antibiotics, and quantitative structure-activity relationship (QSAR) will be clarified based on the ab-initio molecular dynamics and density functional theory (DFT). Then the mechanism of interface reaction among Co-HSACs, sulfate radicals and antibiotics will be proposed. The overall objective of this research is to provide theoretical and technical supports to materials enhanced PMS-involved advanced oxidation process for antibiotics removal in water purification area.
项目围绕水中抗生素类新污染物治理带来的新挑战,研发了系列碳基改性材料和钴基改性催化材料,开发了应用该系列材料的非均相激发过硫酸盐的高级氧化技术体系,实现了水中抗生素类新污染物的高效去除和降毒。首先,通过液相分散和一步煅烧法,实现了对改性碳基催化材料基底(包括了不同分散度淀粉-碳基材料)的可控精细合成,探明了分散剂浓度、煅烧温度等因素对材料表面官能团和活性吸附位点的影响,进而揭示所合成碳基催化材料的基底对抗生素污染物的吸附和降解作用机制,并提出了适用于非均相体系的基底模版材料可控设计方法。在上述改性碳基催化材料基底研究基础上,以水热法合成具有分散度可控的钴催化剂,探究了其催化激发过硫酸盐降解抗生素的行为,阐明了材料结构和表面活性位点激发过硫酸盐产生自由基的机制及不同活性物种的内在关联机制。通过实验和理论计算相结合,在材料层次:探究了材料高效催化的内在机制;在材料-活性物种层面:揭示了材料性质对过硫酸盐催化的影响;在活性氧物种-污染物层面:通过高分辨液质联用仪等分析仪器系统监测污染物的降解中间产物,结合理论计算(Fukui index、ESP、过渡态搜索等)的结果,对污染物受活性物种攻击及降解规律进行深入剖析。构建了从“材料筛选-定向设计-工程应用”全链条的多种新型功能材料集成系统实现医疗废水、城镇污水和场地污染等行业的减污降碳协同增效,开展了基于纳米材料的抗生素污染治理中试示范工程,处理规模达到20 m3/d。.依托项目研究,共发表标注项目号论文17篇。申请了国家发明专利2项,授权了软件著作权1项。以项目为支撑,在执行期内获得了中国发明协会2023年度创业奖创新奖一等奖、2023年度国家环境保护科学技术奖二等奖、2024年度日内瓦国际发明展评委会特别金奖(负责人排名第一)、2024年度日内瓦国际发明展金奖(负责人排名第三),入选了北京市科学技术协会青年人才托举工程(2023-2025),连续两年入选美国斯坦福大学发布的全球前2%顶尖科学奖榜单。
强金属—载体相互作用驱动的光催化有机磷酸酯向高附加值产物转化研究
  • 批准号:
    22576005
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    50.00万元
  • 批准年份:
    2025
  • 负责人:
    冀豪栋
  • 依托单位:
国内基金
海外基金