本研究组的科研主要围绕环境工程材料、有机水污染控制及工业废水处理、地下水原位修复技术、工业酸性废气的净化与资源化，以及上述过程所涉及的界面现象研究、外场强化反应及异相分离规律、过程强化反应分离装置特性等方面的基础理论与应用技术研究，由三部分组成：纳米环境工程材料技术、外场强化有机物降解及分离技术及离子液体湿法催化酸性废气技术，相关研究领域的意义和基本思路总结如下：
1. 纳米环境工程材料技术
环境问题是人类进入21世纪所面临的重大问题，环境保护在社会与经济可持续发展战略中占有重要的地位。当前越来越多的技术被应用于环境保护当中，环境催化技术就是这样一种将环境工程与催化技术相结合的新技术，成为环境保护和绿色化学最重要的科学与技术基础。近年来，环境催化研究已引起越来越多国家的重视，科学界的研究包括了气态污染物的催化消除、废水中有机污染物的催化降解与催化转化、生物催化在节约能源中的作用等重要方面。从广义上讲，环境催化材料的绿色化制备不仅包括催化剂制备工艺的绿色化，而且要特别强调应用过程中催化剂及催化剂载体的再生可循环以及与环境的友好兼容特性，因此发展生态型环境催化材料为环境有机污染的净化及环境修复具有重要意义。
1.1粘土矿物环境催化材料及其性能评价
以光催化剂TiO2为代表的光催化反应的最大优点就是能够有效地利用自然资源太阳光和近紫外光在室温和常压条件下几乎可以彻底矿化所有有机物，因而具有经济有效地大规模应用的可能性。同时，当前利用金属有机络合物活化分子氧仿生催化实现生物难降解的有机污染物绿色化高效处理研究非常活跃。这些络合物在有机污染物的处理中能有效利用环境友好的氧化剂，诸如分子氧等，尤其是能够活化空气中的氧分子来氧化降解污染物的络合物催化剂的研制显示出它的诱人前景，也由此已经成为最为感兴趣的仿生光催化剂。
但是，无论光催化氧化或是仿生催化材料的工业应用仍然受到很大的局限性：光催化过程的反应速率通常较低，需要在反应器中添加大量的活性催化剂；在支撑的反应器中仅有薄薄的一层表面可使用，限制了反应器中活性催化剂的数量，悬浮的催化剂难分离且光线辐射深度受限制，因此总体转化效率低。而金属有机络合物的催化性能与其共存的载体密切关联，固定化后催化能力将显著增加，不仅如此，催化剂的固定化不仅可以明显提高了其催化性能的稳定性，又使其能够多次循环使用。因此，如何实现催化剂主体与载体之间的最佳协同效率，也即在合适的催化剂载体中如何构建高催化活性中心成为最重要的关键科学问题之一。
本研究以高催化活性的半导体光催化剂和有机金属络合物“仿生催化剂”为主体，以与环境完全兼容的天然层状粘土为载体，利用其纳米层间“微反应器”的独特性能，通过自组装反应过程构建高催化活性的生态环境催化材料，建立相应评价体系，为发展环境催化新材料及污染控制新理论积累科学数据和提供理论指导。
1.2两亲纳米铁及地下水氯代烃靶向捕获技术
氯代烃(CAHs) 溶剂在飞机发动机、汽车部件、电子元件等领域的普遍应用而污染了含水层和地下水环境, 是地下水中检出率最高的有机污染物之一，其中三氯乙烯（TCE） 是CAHs 溶剂最普遍的一种污染物，在地下水环境中易迁移, 形成地下水中氯代烃“非水溶性重液体” (DNAPL)，成为土壤和地下水污染的一个长期以来普遍存在的环境问题。因此，地下水修复正面临严峻的挑战，尤其是地下水中氯代烃“非水溶性重液体” (DNAPL)。
采用表面活性剂修饰纳米铁，通过表面活性剂的界面活性，可以有效解决纳米铁的稳定性及其在地下水含水层介质中的迁移“穿透”能力。本研究针对地下水中氯代烃“非水溶性重液体”在土壤中易迁移的特性，采用高界面活性的表面活性剂修饰制备两亲纳米铁，获得高迁移能力的纳米铁，用于捕获在地下水中同样有高迁移特性的氯代烃，由此达到氯代烃在纳米铁颗粒表面的富集的目的，进而与颗粒核心中的铁发生脱氯反应，最终实现地下水氯代烃原位修复的目标。
2. 外场强化有机物降解及分离技术
有机污染随着工业的不断发展而日益严重。调查显示，我国七大水系均主要呈现有机污染，其在很大程度上与工业有机废水排放所引起的水/气/土壤的环境污染直接相关。当前污染控制化学的基础研究和新技术发展面临诸多难题：工业生产中的很多化学试剂及新生化合物（如石化腈纶废水中的低聚丙烯腈等）在其下游排放过程中不为微生物降解导致废水生化处理效果很差；传统絮凝和吸附等物化工艺（如活性炭吸附）仅是环境污染物的转移，容易造成严重的二次污染；特别是在处理突发事件造成的面源污染问题上（如石*****引起的大面积复合污染），现有物化和生化技术存在极大的局限性。尽管科学工作者从分子水平上对污染物的转移和转化机制开展了较为深入的研究，但是距离先进污染控制技术与实际需求还存在很大差距。本研究在发展多功能先进环境工程材料的基础上，发展环境污染控制新原理，设计研发新型反应装置，建立相应的管端控制新工艺，以解决实际环境污染控制难题。
2.1光催化反应强化机制及其污染物原位控制过程研究
高浓度有机废水所具有的污染物含量高、水量少、毒性大、排放点分散的特点使得常规物理化学和生化处理方法难以或无法满足净化处理的技术及经济要求，结果高浓度有机废水并没有因为其水量少而减少对环境的严重污染。目前普遍采取先几倍、十几倍乃至几十倍地稀释原水，然后再物化-生化联合处理达标排放。如此，既浪费了大量的宝贵清洁水源，又导致废水处理量急剧增加，企业负担随之加重。只有实现高浓有机废水直接处理，才能降低废水处理量和处理成本，达到节水减排的目的。由此，发展有机水污染原位控制新技术已成为国内外有机水污染控制亟待解决的重大难题。
微波无极灯作为一种独特的新型光源，微波场的强化作用不仅使体系具有更高的光催化活性，而且使用微波无极灯能够发挥无极灯几何形状随意变形和随意放置的时空特性优势，有利于光源能量分布和光催化氧化反应器结构的优化，而满足一个理想的光催化反应强化装置的最大光照效率与高效传质相结合的根本需求，从而突破传统光催化反应装置光照和传质效率低而难以工业放大的瓶颈问题。通过揭示外场强化有机污染物光催化降解与溶液传质机理，建立高效的光催化反应工艺，为解决有机水污染光催化过程放大的关键科学与技术问题提供新思路和新方法，为有机水污染控制化学理论与技术的发展提供科学依据和积累实验数据。
2.2高盐度有机废水物化组合技术及模块化技术研发
石油化工和制药等行业作为我国的支柱产业在我国国民经济发展中具有举足轻重的地位，但同时也为环境污染带来巨大的压力。许多化工、制药等企业在生产过程中会产生大量高盐分、高浓度有机废水。这些废水化学成份复杂，酸碱度变化大，易形成冲击负荷，不仅有机物浓度高，而且含盐量高。普通生物法中的微生物大多适宜于含盐量低于3.5%的环境，高含盐量废水的含盐量通常在5％以上，甚至达到20％(燃料化石废水、石油加工废水等)，普通生物难以适应这样的高盐环境，严重限制了传统的物化及生物处理工艺在高含盐类废水净化中的应用。更为值得注意的是，作为当前国民经济发展的主力军之一的中小型企业一方面由于产品种类的多样性，产生的废水成分复杂多样，另一方面高盐有机废水排放量又呈现相对较少(<10t/d)的特点,由此，发展具有普适性且小型化的物化废水处理技术与设备的需求尤为迫切。
因此，本研究针对中小型或排污量有限工艺段的大型企业的高盐度有机废水，建立高级催化氧化反应分离耦合技术，解决传统絮凝以及生化处理技术在高盐度有机废水中的局限性，设计小型化多功能处理装置，达到高效普适的目的。
2.3腈纶废水深度处理关键技术研究
腈纶废水主要是指腈纶生产过程中产生的含氰废水，含有多种污染物质，其中含有低分子量聚合物及有机助剂不仅难被微生物降解，而且具有很强的粘连性，把厌氧池和好氧池的软性填料包裹，对生物处理工艺产生很大的冲击，结果全国范围内腈纶工业废水的处理普遍不理想。当前，国内腈纶生产厂家的腈纶废水的排放CODCr几乎在300 ~ 500 ppm的严重超标水平上运行。在国家环境政策日益严格的前提下，限于当前的技术限制，为了实现污水的排放达标，一方面把腈纶废水与其他废水共混处理，或者直接进行稀释处理以降低腈纶废水CODCr排放值。由此，如何深度处理腈纶废水，施行清洁生产，降低企业生产成本，增强企业的竞争力具有双重意义。
本研究针对现有腈纶生产水量大和CODCr 300~500ppm的废水排放情况，设计高级氧化催化组合技术和工艺模式，降低排放废水的CODCr值，并且明显提高废水的可生化性，从根本上为腈纶废水的难处理及高污染、高毒性排放的难题提供可行性的技术。
3. 离子液体湿法催化酸性废气技术
酸性气体主要包括 CO2、SO2、H2S、NOx、HCl、HCN、Cl2等主要大气污染物,它们不仅普遍产生于石油化学工业的炼厂气、焦化厂的焦炉煤气、天然气和煤气化化工等行业，而且有害废弃物和城市固体废弃物的焚烧以及废水处理末端尾气的影响也日趋严重,它们对自然环境的极大破坏等现象使人类自身的发展与生存面临严峻的挑战。走可持续发展的工业化道路与自然环境和谐共存成为广大科研工作者的极具挑战性的研究课题，发展新思维和新技术成为解决问题的关键。 在气体的湿法处理和干法处理技术中，湿法可以在温度不高的温和条件下处理含量高且气流量大的酸性废气，而干法具有适应高温条件下处理酸性废气且处理精度高的特点。但在湿法处理工艺中，由于脱硫脱硝催化体系均采用水溶液体系，随反应的进行产生的副产物水不断稀释催化剂溶液体系，导致催化剂活性浓度降低，并可能伴生催化剂降解性失活，最终在生产工艺上必须不断地补充催化剂活性成分，结果必然产生大量的废水等污染物。不仅如此，由于水相催化反应体系无法适应高温的特点，结果在众多较高温度的生产工艺应用过程中必须采取先降温至室温再进行处理，导致大量的显热被浪费，由此延长了工艺流程而增加运行费用。相对而言，干法处理工艺能够很好地适应高温的反应特点，但是生产工艺过程中的酸性气体的大流量和高浓度特点，极易造成干法催化剂的粉化及中毒等负面效应。
因此，如何将湿法催化的高吸收与干法催化的高精度的特点有机结合，构建新型反应体系和分离体系是一项迫切的工作，具有非常重要的理论研究意义和实际应用价值。本研究针对现有脱硫脱硝工艺的关键问题，依据离子液体的独特物化特性，设计金属基功能化离子液体，构建离子液体湿法催化酸性气体设想及异相分离耦合新工艺，以期发展新的脱硫脱硝理论和新工艺，拓宽工业酸性废气处理范围和提高净化效率。
3.1金属基功能化离子液体结构设计及相分离特性研究
要实现湿法催化的高吸收与干法催化的高精度的特点有机结合，则需要构建新型湿法反应体系，不仅能够适应高温反应，而且在通常情况下能够发生相分离作用，避免反应产物水对催化体系的稀释，减少催化剂的流失。实现离子液体湿法催化酸性气体需要两个前提：离子液体的催化氧化/还原功能以及酸性气体在离子液体中的强化吸收性能，即必须赋予离子液体对酸性气体的吸收和催化两个反应活性中心。两个反应活性中心之间的耦合效应将有效提高湿法催化反应的效率和速率。
由此，利用离子液体结构多变的特点，构造特殊性能的金属基离子液体，研究其高热稳定性以及亲水-疏水转化规律，探索离子液体异相反应及原位分离机理，为实现高效快捷的酸性气体绿色净化与资源化的整体目标提供理论指导是本研究的基本内容。
3.2高温湿法氧化脱硫技术
在我国，煤炭占能源消费的76%，煤炭发电又占据主导地位。在世界范围内，燃煤发电效率低且污染排放严重的问题一直是人们关注的焦点，因此世界各国竟相开发洁净高效的燃煤技术，以显著提高发电效率并降低废物排放量。整体煤气化联合循环(IGCC)发电技术是煤炭高效、低污染转化电能的有效洁净煤技术之一，其以大于40%的发电效率和优越的环保性能在众多发电技术中倍受注目。但是，煤气化过程将产生90%以上的H2S和HCN及HCl等组分气体。这些组分气体在高温进入燃气轮机内时，会腐蚀叶片，降低燃气轮机寿命，排放气也会污染环境。虽然煤气的常温净化已是一项成熟的技术，但在较高温度下直接净化煤气能使整体发电效率提高2%~3%，这在工业化装置中效益是相当显著的，同时与常温净化过程相比还可简化净化系统，降低设备造价，并减少污染水的处理负担。因此，高温煤气净化技术成为IGCC工程的关键技术，其研究任务重要、繁重而又迫切。
实现高温湿法氧化脱硫的前提是获得理想的功能化高温液体材料，新兴绿色溶剂离子液体的出现和研究结果为发展高温湿法氧化煤气脱硫技术提供了必要的前提条件。本项目基于湿法脱硫的优点，依托离子液体的特殊物化性能，提出高温湿法氧化煤气脱硫技术，解决高温湿法脱硫的关键问题，开发高温湿法氧化煤气脱硫新工艺，为整体煤气化联合循环(IGCC)发电技术的发展提供新的技术和理论支持。
3.3炼厂气湿法氧化脱硫新工艺
炼厂气中含有H2S、CO2、各种形态有机硫和多种有害杂质，要求通过选择性脱硫，生产高清洁燃料或作为生产化工产品的原料. 否则,因炼厂气含硫量过高，不但会对设备造成腐蚀，而且会使合成反应或聚合反应中的催化剂中毒。针对胺法脱硫技术中吸附容量有限及CO2吸附干扰、干法脱硫容量小且反应条件苛刻等的难题，提出三相（液-液-固）反应分离湿法脱硫新工艺，实现湿法精脱硫的同时，不产生二次污染的节水型脱硫与资源化一体化工艺。以实验室结果为基础，优化并放大超疏湿法脱硫剂的合成，设计并建立新型脱硫工艺和反应器。
3.4金属基离子液体湿法催化还原酸性气体的研究
据国家环境监测部门的统计，我国1990年排放SO2约1622万吨，1995年排放SO2约为2370万吨，1998年排放SO2约2091万吨，近年来，随着国家对SO2污染控制的重视，排放量虽有所下降，但我国仍是世界SO2排放量的主要大国。SO2主要来源是燃煤，占总排放量的90%左右，而且这里面大部分是来自工业燃煤。采取适当的脱硫方法对解决我国工业脱硫问题和“两控区”建设至关重要。
与H2S气体不同的是，SO2和NOx需通过催化还原反应才能转化为硫磺单质和对环境无副作用的N2。一般情况下，以金属氧化物或贵金属负载的金属氧化物为催化剂，以H2, CO, NH3或CH4为还原剂，通过干法在较高温度条件下发生还原反应。也有以金属硫化物为催化剂研究SO2催化还原直接转化为硫磺单质的，但研究的相对较少。以NOx为对象, 通过催化还原转化为N2研究分为两个方面。一个方面是选择性催化还原，以NH3作还原剂，在含氧气氛下，还原剂优先与废气中NOx反应的催化过程称为选择性催化还原。反应温度一般控制在300℃~400℃，以贵金属、金属氧化物为催化剂通过下列反应将NOx转化为N2。另一个方面是非选择性催化还原，反应温度一般较高，以尿素或氨气为还原剂，通过下列反应将NOx转化为N2。尽管催化还原NOx转化为N2的研究取得了积极的研究成果，但是复杂的反应机理与过程工艺成为提高催化还原脱硝的效率的关键问题。由此，以离子液体的超溶解特性为基础，通过过渡金属无机盐在离子液体中的溶解而发生新的组合反应，将对SO2和NOx具有催化功能的催化剂“移植”到离子液体中，从而形成新的离子液体湿法催化剂，构建新型反应及分离工艺，在新的反应体系中既能实现SO2和NOx的催化还原，又能降低反应条件，实现绿色反应工艺的目的。
