随着国家对氨氮排放标准和要求越来越严格,把水中氨氮转化为氮气(N2)形式进行脱氮,实现高效、绿色氮(N)循环已成为含氨废水处理领域的研究趋势之一。催化臭氧氧化技术因氧化能力强、具备将NH4+直接转化为N2的能力等优势受到专家学者们的广泛关注,而选择经济、高效、性能优异的固体催化剂是催化臭氧技术的研究关键。目前关于表面活性剂与金属氧化物结合的催化剂已在净化含有机污染物的废水中得到一定应用,而关于此类催化剂与臭氧(O3)协同作用氧化水中NH4+的研究鲜少报道。本文选择由NH4Cl固体配制的模拟水样作为研究对象,采用固相反应法制备合成单一金属氧化物、阳离子表面活性剂/金属氧化物、阴离子表面活性剂/金属氧化物催化剂,并从中筛选出高催化活性和选择性的催化剂。在此基础上,考察不同制备条件对催化剂活性的影响并对催化剂物理结构特征和表面化学性质进行了表征分析,且对催化反应的影响因素、催化剂的稳定性进行了考察;此外,以某稀土冶炼厂实际含氨氮废水为研究对象,采用表面活性剂/金属氧化物催化剂联合O3对其处理氨氮的效果进行了研究,以考察表面活性剂/金属氧化物催化剂的实用性;最后对表面活性剂/金属氧化物/O3体系氧化氨氮的机理进行了推测。主要结论如下:(1)基于NH4+去除率高和气态氮产生量高的角度考虑,阳离子表面活性剂/金属氧化物催化剂中的CTAB/NiO催化剂与阴离子表面活性剂/金属氧化物催化剂中的SLS/ZnO催化剂具有较好的催化活性。二者的最佳制备条件分别为:摩尔比n(NiCl2·6H2O):n(NaOH):n(CTAB)为 1:2.1:0.155,煅烧温度 300℃,煅烧时间 2h;摩尔比n(ZnCl2):n(NaOH):n(SLS)为 1:2.1:0.093,煅烧温度 400℃,煅烧时间 3h。制备的 CTAB/NiO和SLS/ZnO催化剂表面均含有大量的粒径较小的颗粒,以及不规则颗粒间孔隙结构较为发达。XRD结果表明,CTAB/NiO催化剂中的主要物相组成是NiO以及表面活性剂的中间产物NH4Br;而SLS/ZnO催化剂的主要物相组成是ZnO;引入表面活性剂的金属氧化物催化剂较单一金属氧化物的比表面积值增大;且CTAB/NiO的pHpzc为8.50,SLS/ZnO的pHpzc为 9.27。(2)在NH4+初始浓度50mg/L,溶液初始pH值9,O3投加量12mg/min,磁力搅拌速度600r/min,反应时间120min的条件下,投加1.0g/L的CTAB/NiO参与反应时,NH4+去除率达到98.11%,气态氮产量达到74.67%;而投加1.2 g/L的SLS/ZnO参与反应时,NH4+去除率达到60.85%,气态氮产量达到19.91%。CTAB/NiO催化剂在处理某稀土冶炼厂含NH4+实际废水时也能很好的将NH4+转化为N2,最佳的反应条件下,NH4+去除率和气态氮产率分别达到99.28%和75.60%。(3)催化剂的稳定性研究表明,CTAB/NiO和SLS/ZnO催化剂在三次循环使用后,催化活性均有一定程度的降低。发现反应后的溶液中检测到部分Ni2+(Zn2+);而反应后的催化剂固体表面形貌发生部分变化,表面产生孔道、缝隙结构以及颗粒间粘连性下降;XRD表征显示反应后CTAB/NiO和SLS/ZnO催化剂上各自的特征峰NiO和ZnO的峰型变窄变尖锐,且CTAB/NiO上的表面活性剂的中间产物NH4Br可能因部分溶解或参与催化反应而损失;而催化剂反应前后的表面官能团未发现明显变化。(4)CTAB/NiO催化剂作用下,气态氮的主要产物是N2,产生量达到71.59%,表明CTAB/NiO/O3体系下可以将NH4+主要转化为无害的N2;SLS/ZnO催化剂作用下,液相中氮成分占比较大,其中NH4+的去除率为57.79%,NO3·的产生量达到了 38.53%,而气态氮的产生量少,这说明SLS/ZnO/O3体系下并不能很好的将NH4+氧化。(5)表面活性剂/金属氧化物/O3体系氧化氨氮过程可能的机理是:O3与部分氨氮(NH4+与NH3)被吸附到催化剂表面,催化剂表面存在的活性中心促进O3分解产生强氧化自由基(如·OH等),O3、·OH与吸附在催化剂表面的NH4+或NH3在活性中心的相互作用下发生氧化反应,最终被转化为N2;此外,存在于溶液中氨氮(NH4+与NH3)也会与溶液中的臭氧及羟基自由基发生反应。