硝基苯(NB)属于典型难降解高毒性有机污染物,因硝基的强钝化作用,给硝基苯废水的处理增添了较大的难度。在众多的处理技术中,过硫酸盐高级氧化技术成为最佳选择,构建高效无污染的非均相负载型过硫酸盐催化剂是重点研究内容。基于三维石墨烯所具有的独特孔道结构和氮掺杂的催化强化作用,本文以硝酸钴为活性组分前驱体,通过改变制备条件,在不同氮源、不同氮源与氧化石墨质量比、不同前驱体浓度、不同水热温度和不同水热时间条件下,采用一步水热法制备了一系列以氮掺杂三维石墨烯(3D N-GN)为载体,以Co3O4为活性组分的Co3O4/3D N-GN非均相负载型催化剂,采用各种现代分析手段对催化剂的组成、结构特性进行了表征,详细考察了不同制备条件下催化剂的催化活性,确定最佳制备条件。在此基础上对最佳条件下制备的催化剂催化性能进行了评价,并对其催化活化过一硫酸氢盐(PMS)降解硝基苯的内在机制进行了解析。此外,详细考察各影响因素对该催化氧化体系性能的影响作用,并对硝基苯的降解途径途径进行解析,进一步验证了该催化氧化方法的可行性,获得的具体结论如下:(1)以丙烯酰胺为氮源,在丙烯酰胺与氧化石墨烯质量比为10%,前驱体浓度为15%,水热温度为180℃,水热时间为12 h条进行下制备的催化剂具有最佳的催化活性。表征结果表明氮掺杂能调控Co3O4纳米粒子的大小,同时形成Co-N-C键和各种结构氮。Co3O4/3D N-GN/PMS降解硝基苯废水的伪二级降解动力学常数k值为0.0118 L/(mg·min),Ea为16.223 kJ/mol。该氧化体系中SO4-·、·OH及1O2共同发挥了作用,其中1O2发挥了主导作用。Co3O4/3DN-GN对PMS的高效活化作用主要归功于Co-O-C和Co-N-C键对活性组分的锚定作用和氮掺杂三维石墨烯载体中结构氮的催化协同作用。与吡咯氮和石墨氮相比,吡啶氮有一对孤对电子对未参与共轭,更有利于活性组分的锚定和发挥催化协同作用,且氮的电负性强于碳,临近的碳以C+形式存在,更容易吸附带负电的HSO5-,进一步促进其活化产生活性氧物种。Co-N-C键的形成尚可抑制钴离子的溶出,提高了其稳定性,七次连续重复利用实验硝基苯去除率均在78%以上。(2)当Co3O4/3D N-GN催化剂投加量为3600 mg/L、PMS投加量为2.0 g/L,pH=6时该催化氧化体系对硝基苯降解效果最好,硝基苯去除率为84.23%,CODCr去除率为80.27%;H2PO4-对硝基苯的降解具有一定的促进作用,HCO3-对硝基苯的降解具有一定的抑制作用,NO3-对硝基苯降解几乎无影响,Cl-对硝基苯降解的抑制作用明显,浓度越大抑制作用越强;借助于SO4-·、·OH和1O-2的协同氧化作用,可使硝基苯首先形成硝基酚类物质,随后相继转化成双酚类物质和醌类化合物,最后开环矿化为CO2和H2O,进而有效避免副产物的产生。