本文针对不同高级氧化体系(AOPs)中存在的催化剂制备复杂、羟基自由基(·OH)参与降解水中有机污染物的活性位点少和活性低等问题,利用生物模板法制备具有较大的表面积的半导体纳米材料,为·OH的生成提供更多的活性位点,增强其对污染物的吸附能力。同时,生物模板法具有更安全、容易操作、简单且经济高效的半导体催化剂合成方法,解决催化剂制备过程使用带有毒性的化学品、复杂的设备、高能量及耗时的问题。本文选择尼日利亚丰富的已知药用植物印楝(Azadirachta indica)、柠檬草(Cymbopogan citratus)和芒果(Magnifera indica)的提取物作为生物模板,合成氧化锌(Zn O)、二氧化钛(Ti O₂)和赤铁矿(α-Fe₂O₃),利用X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外(FT-IR)光谱、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)、能量色散X射线(EDX)、紫外-可见分光光度计、比表面积测试(BET)、多孔材料孔径分布测试(BJH)、X射线光电子能谱(XPS)、电化学阻抗谱(EIS)、差热分析和热重分析(DTA/TGA)、光致发光(PL)等对制备的纳米材料进行了组分和结构表征。选择抗生素四环素(TC)作为模型污染物,分别在不同高级氧化体系(AOPs)中研究不同催化剂对水溶液中TC(50 mg/L)的降解作用和机制。将复合催化剂Ti O₂/Fe₂O₃负载在Al₂Si O₅纤维板上,应用于结构良好的板式固定床反应器,研究该反应器的UV/Fenton工艺处理四环素(TC)废水的性能参数。论文主要的研究工作包括以下几部分:(1)以硝酸锌(Zn(NO₃)₂·6H₂O)为前驱盐,印楝(AI)、柠檬草(Cyc)和芒果(MI)的提取物作为螯合剂和还原剂,制备了氧化锌纳米颗粒(Zn O NPs)。XRD图谱显示制备的Zn O为纯相的六方纤锌矿结构,对于生物合成的Zn O NPs,采用Scherrer方程计算的XRD晶粒尺寸范围为13.94-16.37 nm。不同生物模板制备的Zn O NPs在降解TC过程中催化性能的结果表明,TC光降解效率顺序为Zn O-AI>Zn O-MI>Zn O-Cyc>CS-Zn O。这一结果表明AI生物模板是制备催化剂的最佳生物模板种类。通过研究变量参数(催化剂用量、TC浓度、p H值)对UV/Zn O-AI催化系统的影响,结果表明在中性p H为7的条件下,较少的催化剂用量即可达到TC的最大降解量(81.4%)。该催化剂在连续五个循环后降解效率无明显差异(均>75.9%),TC降解动力学很好的拟合了一个伪一级动力学模型,通过淬灭实验确定光催化过程中的主要活性成分,并提出TC的降解机理。(2)以最佳的生物模板印楝(AI)提取物作为生物模板,以异丙氧化物钛(Ⅳ)(C₁₂H₂₈O₄Ti)为前驱体合成二氧化钛(Ti O₂)。XRD结果表明Ti O₂(Ti O₂-AI)晶粒尺寸为19.8 nm,具有良好的结晶锐钛矿相。Ti O₂-AI的SEM结果表明呈现较为均匀球形结构,这种球形粒子堆积成TEM显示的纳米片状结构,这种纳米片状结构是从生物模板中的叶绿体结构复制的。与常规合成的Ti O₂相比,Ti O₂-AI表现出更大的表面积和平均孔径。XPS结果显示Ti O₂晶格上有少量生物碳掺杂,这可以在光催化剂反应期间促进电荷转移。与N-Ti O₂降解效率(11.8%)相比,Ti O₂-AI催化剂在UV/Fenton/Ti O₂-AI的协同作用下,表现出更高的催化性能(87.8%)。这主要是由两种因素决定的:(1)生物模板化Ti O₂的纳米片结构暴露了更多的表面积,提供了更多的活性位点;(2)通过光生电子将Fe³⁺有效还原为Fe²⁺,从而防止光生e^-/h⁺的复合,克服了Ti O₂典型的e^-/h⁺对快速复合可能性的限制。对相关影响参数,如Ti O₂-AI用量、TC浓度、p H值、Fe²⁺与H₂O₂的摩尔比等进行了优化,生物模板Ti O₂的降解过程服从一级反应动力学,UV/Fenton/Ti O₂-AI工艺的降解率高于其他比较工艺,在经5次重复后该催化剂效果稳定。(3)使用固相铁源的光芬顿催化剂作为铁离子源,混合UV/Fenton进一步增强对TC的降解。以AI为生物模板,氯化铁(Fe Cl₃·6H₂O)为前驱体进一步合成纳米结构的α-Fe₂O₃(赤铁矿)。XRD显示生物合成的α-Fe₂O₃-AI图案为菱面体(六边形)结构,晶粒尺寸为18.9 nm。SEM结果显示,α-Fe₂O₃-AI保留了AI生物模板的不规则叶状形态,TEM结果表明分级多孔结构的α-Fe₂O₃-AI具有完美的结晶度。XPS结果表明α-Fe₂O₃-AI具有更多的氧空位,从而比正常的α-Fe₂O₃提供更多可用的反应位点。含有少量生物碳掺杂的α-Fe₂O₃-AI具有较大的表面积。在使用UV-Fenton/α-Fe₂O₃-AI/H₂O₂混合系统降解TC时,该非均相催化体系出较高的催化性能(92.8%)。生物合成的含有少量生物碳掺杂且具有分级多孔结构的α-Fe₂O₃-AI激发了UV-Fenton系统的协同效应。ESR结果表明,少量生物碳掺杂的α-Fe₂O₃-AI催化UV-Fenton体系产生·OH和超氧自由基(·O^2-),用于降解污染物TC;而自由基捕获实验表明,·OH和·O^2-是在UV/α-Fe₂O₃-AI/H₂O₂体系中促进TC降解的主要活性物质。研究了Ti O₂-AI用量、TC浓度、p H值、Fe²⁺与H₂O₂的摩尔比等参数对该催化体系的性能影响,在经5次重复后该催化剂效果稳定。(4)设计升流式固定床光-芬顿催化反应器,用于模拟UV-Fenton体系大规模处理TC废水的试验研究。采用煅烧法将复合催化剂Ti O₂/Fe₂O₃负载在Al₂Si O₅纤维板上,制备了负载型Ti O₂/Fe₂O₃@Al₂Si O₅板式催化剂。通过XRD、XPS、SEM、和EDX证实成功制备该负载型催化剂。将该负载型催化剂(Ti O₂/Fe₂O₃@Al₂Si O₅)应用于以TC为目标污染物的升流式固定床连续流反应器。研究不同Fe₂O₃与Ti O₂催化剂配比对催化性能的影响,结果表明配比5:1的Fe₂O₃/Ti O₂具有最佳的TC降解率(94.0%)。考察了Ti O₂/Fe₂O₃@Al₂Si O₅的用量、体系p H值、H₂O₂浓度、紫外光强度、水力停留时间(HRT)和TC进水浓度等参数与处理含TC(50 mg/L)废水之间的相关性,试验结果表明:最佳p H值5.0(93.8%),H₂O₂浓度10 m M(93.8%),紫外光强度15 W(95.2%),水力停留时间(HRT)120 min(93%)和TC进水浓度25-50 mg/L(94.5-94.3%)。通过对连续进出口的数据监测及反应器连续运行对降解TC的稳定性的试验,固定床连续流反应器表现出良好的稳定性。