炭黑是一种在相对缺氧或完全隔绝氧气的条件下,利用含碳类原料热解而生成的黑色粉末,具有特殊微观结构、粒子形态及表面性状。相比于其它常用碳材料,炭黑表面还原性强,官能团种类及数量丰富,制备成本较低。本课题以苯胺、溴胺及磺胺二甲嘧啶(SMZ)三种水环境中常见胺类有机微污染物为目标物,针对高锰酸钾氧化胺类有机污染物反应动力学进行研究,并考察二氧化锰及炭黑对该类反应的催化效能。同时,对炭黑进行两种预氧化处理,进一步探究炭黑催化反应的机理。高锰酸钾氧化苯胺、溴胺的反应速率主要受到水体pH、高锰酸钾及目标物浓度的影响。在无催化剂的情况下,高锰酸钾对SMZ几乎没有氧化能力。在偏酸性条件下,原位制备的二氧化锰能够有效催化高锰酸钾氧化苯胺、溴胺反应,但对高锰酸钾氧化SMZ反应几乎没有催化作用。二氧化锰的催化作用包括与目标物形成表面络合物、促进高锰酸钾参与表面络合物的电子转移两部分。在pH=6~9条件下,炭黑对高锰酸钾氧化三种胺类有机物反应都有明显的催化作用,催化效能主要受到水体p H,高锰酸钾、目标物及炭黑浓度的影响。值得注意的是,在p H=7~9条件下,催化反应速率随反应的进行不断下降,最后接近平衡;随着炭黑浓度的增加,反应最终平衡时目标物的去除率不断提高。说明在催化反应过程中,炭黑表面具有催化作用的活性位点不断被消耗,当其浓度相对于目标物浓度不足时,反应便会出现平衡现象。为进一步探究炭黑的催化机理,实验分别对炭黑进行高锰酸钾及臭氧预氧化处理。在p H=7、8条件下,预氧化后炭黑的催化效能减弱。随着预氧化剂浓度及预氧化时间的增加,炭黑的催化效能进一步降低,但下降速度减慢。分析可知,预氧化后炭黑表面的氧化程度增加,表面还原性位点浓度下降,在催化反应中还原高锰酸钾产生二氧化锰浓度降低,对反应间接催化能力减弱。由此可知,炭黑能够通过促进高锰酸钾生成二氧化锰而间接催化反应。但是,炭黑的催化途径不只是间接催化。在pH=6条件下,二氧化锰对高锰酸钾氧化SMZ反应几乎没有催化作用,而炭黑在相同条件下却具有良好的催化效能,说明此条件下炭黑还存在其它催化途径。实验发现,在p H=7条件下经高锰酸钾预氧化后的炭黑可以直接氧化降解SMZ。分析可知,炭黑还可能存在以下两种直接催化作用:(1)炭黑通过吸附目标物,形成电子云密度更高的络合物质,更易被高锰酸钾攻击,促进了氧化反应的进行;(2)经高锰酸钾预氧化后炭黑表面生成了持久性碳自由基,对目标物有更强的降解能力,从而促进反应的进行。本文在两种实际水体(磨盘山滤后水、松花江水)中,针对炭黑与常用催化剂碳纳米管(CNTs)催化高锰酸钾氧化SMZ反应的效能进行对比。相比人工配水,炭黑在实际水体中的催化效能在偏酸性条件下明显下降,而在中性及偏碱性条件下并不明显;相比人工配水,CNTs在两种实际水体中的催化效能都明显下降。在人工配水及实际水体中,炭黑的催化效能都高于CNTs,但随着p H的升高,炭黑与CNTs催化效能间的差距逐渐缩小。由BET比表面积测定可知,CNTs的比表面积高于炭黑,但是炭黑的微孔结构更发达;由X射线光电子能谱(XPS)测定可知,相比CNTs,炭黑表面的氧含量更低,表面的还原性更强,对其催化效能更为有利。