磺胺类抗生素(SAs)作为一类重要的磺胺衍生物,已被广泛应用于治疗各种细菌、原虫和真菌感染。大量的SAs使用会导致SAs通过各种方式进入陆地和水生环境中,不仅会影响土壤微生物,还会间接进入人体内危害人的免疫系统。开发可转化为危害较小的中间体甚至完全矿化为CO₂和H₂O的高效去除方法已成为主要研究目标。常用的去除SAs的手段有生物降解法、物理吸附法、高级氧化法等。其中高级氧化法中的基于硫酸根的高级氧化技术(SR-AOPs),它具有氧化能力强、适用p H范围广、操作简单等优点,成为有效处理有机污染物的新兴技术。自由基,包括羟基自由基(·OH)、硫酸根自由基(SO₄^·-)、超氧阴离子自由基(O₂^·-)和非自由基物质,如单线态氧(~1O₂)、表面活化复合物和电子转移等都是SR-AOPs中常见的活性途径,可使绝大部分有机物分解或者完全矿化,在降解污染物方面发挥着重要作用。SR-AOPs中的活性物种可通过活化过氧单硫酸盐(PMS)或者过硫酸盐(PS)产生。与热活化,紫外线活化,碱活化等活化方式相比,过渡金属离子M⁺(Co²⁺、Fe²⁺、Mn²⁺、Cu⁺等)作为均相催化剂活化PS/PMS因其高效、温和等优点而被广泛应用。其中Co²⁺对PMS表现出最好的激活性能。此外,碳基纳米材料(碳纳米管(CNTs)、活性炭(AC)、活性炭纤维(ACFs)、氧化石墨烯(GO)等)具有较大的比表面积、丰富的多孔结构、优异的理化性能、良好的生物相容性和耐酸碱性能,已成为PS/PMS活化的优异多相催化剂。并且杂原子如N等掺杂到碳基纳米材料中可以产生缺陷来调整材料的物理化学性质,从而提高其对PS/PMS的活化性能。基于上述进步,将Co或Fe等过渡金属引入N掺杂碳材料中,形成金属、氮双修饰的多孔碳纳米材料(M-N-C,M=Co或Fe)作为多相催化剂活化PS/PMS具有很大的研究前景。本文选取了三种主要的SAs:磺胺甲恶唑(SMX)、磺胺甲基嘧啶(SMZ)、磺胺噻唑(STZ)作为目标污染物,并制备了三种钴、氮双修饰的碳纳米材料以活化PMS产生活性物种,实现水中SAs的高效快速去除。还研究了各种影响催化性能的因素,包括催化剂负载量、PMS浓度、溶液的初始p H值和各种无机离子。验证了降解系统中产生的活性物种,并提出了可能的催化机理。论文主要研究如下:(1)超细钴纳米点装饰的氮掺杂碳的多孔3D超结构活化过氧单硫酸盐降解磺胺类抗生素超级结构因其在化学和材料科学中的潜在应用而受到关注。在这项工作中,我们报告了一种用超细钴纳米点装饰的氮掺杂碳的多孔3D超结构(Co@NCSS)的制备。利用修饰的超细钴纳米点作为主要催化活性位点,以及这种3D多孔超结构产生的优异质量和电子传输效率,Co@NCSS作为PMS活化剂对几种SAs的降解表现出优异的催化性能。根据自由基猝灭试验和电子顺磁共振(EPR),~1O₂是主要的氧化物质。此外,通过HPLC-MS和DFT计算鉴定降解中间体,分析了Co@NCSS/PMS降解SMX的途径。本文还提出了Co@NCSS/PMS对SMX降解的可能催化机制。(2)低温修饰碳纳米管上原子分散的钴-氮-碳层结构作为过氧单硫酸盐活化剂通过电子转移途径降解磺胺甲基嘧啶由于活性位点的原子分散性和高催化活性,单原子催化剂在多相催化中越来越受到关注。在这里,我们通过溶剂热反应在碳纳米管(CNT)上装饰含有钴原子分散的纳米薄氮-碳层(Co NC)。所制备的Co NC-CNTs复合材料无需热解直接用作PMS活化的催化剂,对SMZ的降解表现出较高的催化性能。Co NC-CNTs中原子分散的Co位点被证实为活性位点。非自由基机制电子转移在Co NC-CNTs/PMS降解SMZ中起重要作用。此外,还通过HPLC-MS和DFT分析了SMZ的降解中间体和降解途径。(3)钴和MoO₂纳米颗粒修饰的氮掺杂层次有序碳管板超结构活化过氧单硫酸盐降解磺胺噻唑成功制备了以MoO₃为模板,PIs为碳源,通过模板导向的自组装方法合成分层有序碳管板超结构(CTSS)。因为聚酰亚胺对降解的低活性,加入了过渡金属钴以增加材料的降解性能。高温碳化后,形成钴和Mo O₂纳米颗粒修饰的氮掺杂层次有序碳管板超结构(Mo O₂@CTSS@Co)。Mo O₂@CTSS@Co能够活化PMS高效降解SAs,研究了PMS浓度、催化剂负载量、溶液的初始p H值和各种无机阴离子和腐殖酸(HA)对Mo O₂@CTSS@Co/PMS降解STZ的影响。此外,通过猝灭实验与EPR分析验证了Mo O₂@CTSS@Co/PMS中产生的活性物种,并提出了Mo O₂@CTSS@Co/PMS可能的催化机制,最后通过HPLC-MS分析了STZ的降解途径。