纳米铁壳层物种反应活性及原位矿物转化同步除砷机制

Arsenic contamination in groundwater in our country is a serious problem. Nano-zero valent iron (nZVI) due to the outstanding reactivity in groundwater remediation technology has been widely concerned. The latest theory of core-shell structure reveals the shell species of nZVI is a key to arsenic removal. Based on the reactivity of shell species, shell species-like of nZVI (NFHOs) with large capacity of arsenic removal was prepared by the controllable method to use for arsenic removal from groundwater overcoming the disadvantages of nZVI and iron oxide. It is a new exploration and significant attempt for the development of remediation of groundwater. Investigation on the key scientific problems such as the optimization of NFHOs preparation and NFHOs’ reactivity, arsenic removal mechanism by mineral in situ transformation, the influence factors and kinetics model of arsenic removal, the mechanism on stabilizing and releasing of arsenic etc was performed to propose the significant theory of arsenic removal and stabilization by Mineral in situ transformation. The surface morphology and micro area distribution of As in NFHOs was determined on the atomic scale using latest advanced analysis methods such as the TSEM – XEDS to reveal the micro mechanism of arsenic removal by NFHOs and elaborate the mineral transformation process and evolution law of NFHOs in geological environment with various hydrogeological conditions. The findings will reveal the geochemical behavior of NFHOs and As. The investigation is helpful to improve theory breakthrough and technology innovation of arsenic pollution control in geological environment and promote the cross over study of environmental science and earth science.

我国地下水等地质环境中砷污染形势严峻，纳米铁由于突出的反应活性在地下水修复技术中受到广泛关注。最新的核壳结构理论揭示纳米铁壳层物种是其除砷关键。本项目从壳层物种反应活性出发，通过可控方法制备具有大容量除砷能力的类似纳米铁壳层物种(NFHOs)用于地下水除砷，克服纳米铁和传统铁氧物的不足，是一项崭新的探索和尝试。通过研究NFHOs的优化制备与反应活性，矿物原位转化除砷机制，同步除砷影响因子与动力学模型，砷的稳定与释放机制等关键科学问题，提出矿物原位转化同步除砷固砷理论机制。利用TSEM-XEDS等现代先进分析手段，从原子尺度上分析As在NFHOs表面的结合形态、微区分布，揭示NFHOs除砷的微观作用机制。阐明NFHOs在水文地质条件下的矿物转化过程和演变规律，揭示NFHOs和As的地球化学行为。项目研究有助于推动地质环境中砷污染控制技术理论的突破和创新，促进环境科学与地球科学的交叉研究。

纳米铁壳层物种(NFHOs)因其独特的核壳结构、反应活性成为一种潜在的可替代纳米零价铁和传统铁氧物的除砷材料。本项目主要研究新型纳米铁壳层物种的优化制备和反应活性，揭示除砷过程中矿物原位转化机理，阐明砷在NFHOs作用下的迁移转化机制，提出矿物原位转化除砷固砷理论。探索新型纳米铁壳层物种的优化制备合成方法，通过XRD，SEM，XPS等分析手段对新型纳米铁壳层物种进行形貌表征和元素价态分析，研究有氧、无氧条件下的除砷性能，发现有氧条件下砷进入到矿物晶格结构中，使得纳米铁壳层物种矿物转化的产物主要是纤铁矿，且有氧环境比无氧环境更有利于NFHOs吸附As(III)/As(V)反应的进行，制备的新型NFHOs的除砷容量远高于传统纳米零价铁及铁氧化物；深入研究了新型NFHOs矿物转化过程中As(III)的迁移和转化途径，发现有氧环境中As(V)主要是与矿物发生内层专性吸附，形成单齿络合物，而As(III)的去除机理包括外层表面吸附络合、共沉淀以及晶格取代，且深入分析了不同反应途径在新型NFHOs矿物转化除砷过程所占的比重；制备碳酸型NFHOs，研究除砷过程中其形貌、结构变化，揭示As(III)在其作用下的去除机理。发现As(III)在碳酸型NFHOs作用下的去除符合Elovich动力学方程，说明反应过程是复杂的非均相扩散过程。且无氧条件下碳酸型NFHOs除砷产物为稳定的副砷铁矿，是一种良好的含砷矿物；探究了碳酸型NFHOs除砷过程中As(III)的氧化机制，发现As(III)氧化效率受到碳酸型NFHOs投加量、初始pH值、溶解氧浓度的影响，抑制剂实验表明在为pH=5-9的范围内，主要氧化性物种为过氧化氢和超氧自由基，在中酸性条件下氧化As(III)的物种为Fe(IV)和表面结合态的羟基自由基，而碱性条件下为Fe(IV)，活性氧物种的来源主要为络合在铁氧化物表面的Fe(II)，且发现KI的加入会促进As(III)的氧化效率，可能是由于其促进了表面的Fe(III)/Fe(II)循环，从而提升了表面络合态Fe(II)的利用率，因此，揭示了As(III)在碳酸型NFHOs表面的氧化吸附行为；研究了硫改性纳米零价铁的除砷性能及机理，分析表征了除砷前后硫化纳米零价铁的形貌、价态，阐明不同条件下硫化纳米零价铁的活化分子氧及As(III)氧化效率，理清各活性物种对于As(III)氧化的贡献。