光-纳米零价铁-希瓦氏菌体系协同还原铀的机理研究

Hexavalent uranium (U(VI)) can easily migrate in groundwater environments due to its high solubility, thus causing serious environment hazard. As an environmental friendly injecting material in permeable reactive barrier (PRB), nanoscale Nanoscale zero-valent iron (NZVI) can reduce mobile hexavalent uranium (U(VI)) to less mobile tetravalent uranium (U(IV)), which inhibits uranium transport in groundwater. However, the oxidation or corrosion products (including magnetite and lepidocrocite) outside of NZVI increase with prolongation of reaction time. The increased thickness of iron oxide film will hinder U(VI) reduction by Fe(0) core, thus passivating the reactivity of NZVI. We first propose an visible light irradiated NZVI-electricigens (Shewanella putrefaciens) system to enhance U(VI) reduction efficiency, based on the generation of photoelectron and photohole from iron oxide shell excited by solar light. Investigate the removal efficiency and kinetics of U(VI) by NZVI-Shewanella putrefaciens in aqueous system and dual-chambered electrochemical system via simulating solar light. Analyze the uranium product on the interface of NZVI-Shewanella putrefaciens and its valence transformation under different environmental conditions. Reveal the synergistic mechanism of NZVI and Shewanella putrefaciens toward U(VI) removal via characterization of uranium products and electron transfer efficiency using electrochemical technique. Expected results will provide an innovative and energy-saving method for efficiently intervening and regulating U(VI)-contaminated groundwater using NZVI.

六价铀(U(VI))易溶于水，易在地下水中迁移，极易造成严重的环境危害。纳米零价铁(NZVI)对U(VI)有很强的还原固定能力，但氧化铁壳层的生成会大大降低持续还原U(VI)的效率。本项目首次尝试光照条件下激发NZVI氧化壳层上的光电子，促进电子从NZVI内核向表面氧化层的传递，在产电微生物(希瓦氏菌)的协同作用下，提升U(VI)还原效率。系统研究黑暗和光照条件下，NZVI-希瓦氏菌分别在溶液体系和电化学双室体系下去除U(VI)的效率、动力学特征及铀元素的赋存形态和价态转化。通过鉴定铀还原产物及表征反应体系电子转移效率，揭示光-NZVI-希瓦氏菌体系对铀的协同去除机制。探索NZVI治理U(VI)污染的新思路，以期实现对铀污染地下水的高效还原去除和处理能量需求最小化。

本项目目的是主要针对铀矿山开采造成的生态破坏和环境污染问题提供解决思路。铀矿开采过程形成的污染主要为放射性重金属元素污染，铀元素为主要代表之一。鉴于铀元素的多价态性和高迁移性，其一旦进入水体中，将带来较大的危害。本项目研究内容为采用纳米零价铁作为主要研究对象，通过模拟日光照射，激发纳米零价铁氧化铁层的光电子协同产电微生物来增强对水体中铀酰的还原能力。通过在水体中直接还原固定铀酰，达到净化水体的目的。同时，期望为延长纳米零价铁在反应水体中的活性使用寿命提供一种可行的新方法。.本项目的研究结果主要包括在国内外学术期刊发表SCI论文，申报国家发明专利，协助培养研究生。通过研究我们得出，光照条件能够有效延长纳米零价铁的工作时间，提高工作效率。同时，水体厌氧微生物希瓦氏菌的介入，能够有效提高铀酰的固定效率，同时与纳米零价铁形成协同作用共同体，在水体中有效的还原固定铀酰离子。在此基础上，研究过程中加入了导电物质碳纳米管、石墨烯等碳材料，结果表明，光照条件下，在一众含碳材料中，碳纳米管能够提高纳米零价铁还原铀酰的效率最高，并且纳米零价铁还原铀酰的工作时长和总体能力大为提高。此项工作从侧面证明了光照条件下，还原电子产生后转移的效率大为增加。.本研究的科学意义在于一定程度上解决了纳米零价铁氧化后形成表层氧化壳层而钝化其还原活性的问题，能有效延长纳米零价铁作为处理水体铀酰活性材料时的使用寿命，保障其在水体环境中长时间具有持续还原铀酰的能力。同时，阐明了外加协同物质，例如希瓦氏菌、碳纳米管等与纳米零价铁还原铀酰作用时的时间、酸度等边界条件和其相关的赋存形态、微观结构等。为纳米零价铁后续的大批量使用和应用提供了理论依据和积极探索。