臭氧由于具有较高的氧化能力而被广泛应用于水与污水处理技术当中,然而臭氧对一些污染物氧化不彻底,并且可能会导致溴酸盐(BrO₃^-)等有毒副产物的生成。因此,在臭氧氧化过程中强化污染物去除并同步抑制BrO₃^-等有毒副产物成为本领域的面临的挑战之一。多相催化臭氧氧化技术已被认为是克服这些缺点的一种实用而有效的替代技术。因此,针对该技术中高性能催化剂的研发、界面反应机理研究、评价该技术在降解微量有机污染物同步控制有毒副产物方面的性能等领域,亟待开展系统研究工作。本论文以钙钛矿基催化剂催化臭氧氧化技术为例,深入解析了催化剂界面结构和催化活性的构效关系,揭示钙钛矿型氧化物催化臭氧氧化反应原理、污染物降解机制以及有毒副产物削减机理,研究结论能够为推进催化臭氧氧化技术应用提供科技支撑。首先,本论文选用典型钙钛矿型氧化物铁酸镧(LaFeO₃,LFO)和钴酸镧(LaCoO₃,LCO)作为催化剂,开展催化臭氧氧化除污染性能评价。实验结果表明,LFO不能加速臭氧分解产生更多羟基自由基,因而无法加速苯并三氮唑(BZA)的降解。但是在LFO催化剂表面可促进络合物[Fe-H₂O₂]_s的生成,可以有效促进BrO₃^-还原为HOBr/OBr^-。与单独臭氧氧化相比,LCO催化剂的存在可加速BZA降解,反应15 min时BZA降解率达100%。催化剂表面Co³⁺/Co²⁺的循环加速H₂O₂的生成,可达到同步削减BrO₃^-的目的。其次,通过研究关键影响因素对BZA降解及BrO₃^–削减的影响,进一步确定降解BZA并抑制BrO₃^–的最佳水质参数。LCO的最佳投量为0.25 g/L,最适BZA底物浓度为1.0–5.0 mg/L,最佳pH值条件为7.22。[NH₄⁺-N]/[Br^-]比例小于15时,LCO催化臭氧氧化反应中BrO₃^–削减效果最佳。[HCO₃^-/CO₃^2-]3计)时,可以更高效地促进BZA降解和BrO₃^-抑制。此外,进一步提出了在含Br^–和不含Br^–水体中,LCO催化臭氧氧化技术的实用性策略。再次,以城市生活污水处理厂出水为本底,进一步分析LCO催化臭氧氧化技术对BZA降解及对各类有毒副产物的削减性能。在反应前10 min,LCO的存在可显著提升BZA的降解速率。此外,在臭氧浓度为1.0 mg/L时,LCO的存在对酮醛抑制效果较好;臭氧投量为2.0 mg/L时,LCO催化臭氧氧化对卤代副产物的削减作用较显著;LCO的引入同样可以去除三氯甲烷、溴氯乙腈、三氯乙腈、2,2-二氯乙酰胺和三氯硝基甲烷的前驱体,然而却增加了二氯乙腈前驱体的生成。最后,在上述研究结论的基础上,进一步将石墨相氮化碳(g-C₃N₄,CN)掺杂到LCO结构当中以提升界面电子转移速率,并通过-C-O-Co键的生成实现了LCO和CN的化学键合。-C-O-Co键和氮空位的存在加速了催化剂中离域电子的转移,从而加速臭氧分解为更多活性氧自由基,强化BZA降解。此外,较快的电子转移速率促进了Co³⁺/Co²⁺之间的循环和H₂O₂的生成,进一步强化BrO₃^–的削减作用,此时BrO₃^–抑制率可达77.4%。本文研发了LaCoO₃基钙钛矿型氧化物催化臭氧氧化技术,实现了水中苯并三氮唑的高效降解,并实现了有毒副产物的同步削减;提出了一种基于Co元素循环催化臭氧产生H₂O₂还原溴酸盐的新途径,丰富了催化臭氧氧化技术的基础化学原理。