矿物微孔中常见金属离子与有机污染物作用机理研究

Pollution of soils and groundwater by organic contaminants has become an increasing environmental concern. The micropores (≤2.0 nm) of minerals can play an important role in controlling the long-term transport and fate of organic contaminants in soils and groundwater aquifers. This project aims to elucidate the interaction mechanism between the metal ions and organic contaminants in the interface of the mineral micropores, and the effect of metal ions on the transport and fate of organic contaminants. This project will focus on the major factors controlling the interaction between the metal ions and organic contaminants, including pore structure and surface chemistry of the pore wall, hydration, hydrolysis and complexation properties of the metal ions, physical and chemical properties of the organic contaminants. Clarify the existing forms of metals and organic contaminants in the mineral micropores by chemical and spectroscopy technique, and reveal the key factors of the effect of metal ions on the transport and fate of organic contaminants in the mineral micropores with different surface chemical properties. This project will enhance our fundamental understanding of the transport and fate of organic contaminants in soils and groundwater aquifers and provide guidance on risk assessment and treatment of sites contaminated by organic contaminants.

有机污染物对土壤和地下水环境的污染是当前环境保护领域的重要问题之一。针对有机污染物在土壤和含水层介质矿物微孔（≤2.0 nm）中的长期迁移与归宿问题，本项目旨在探索不同性质的常见金属离子与有机污染物在矿物微孔中的微观界面作用机理及对有机污染物迁移转化的影响规律。拟从矿物微孔结构和表面化学性质，金属离子水合、水解、及与有机污染物的络合及桥键合作用，有机污染物本身的极性、官能团、及存在形态等入手，通过化学和谱学技术研究金属离子和有机污染物在矿物微孔中的赋存状态，探讨金属离子和有机污染物在矿物微孔中的作用机理。揭示不同表面化学性质的矿物微孔中，金属离子对有机污染物迁移转化的影响的关键因素。本项目将为理解和预测有机污染物在土壤和地下水环境中的迁移与归宿规律提供理论依据，也为污染风险评估和土壤和地下水环境修复技术提供科学支持。

本项目从矿物微孔表面化学性质，金属离子水合、水解、及与有机污染物的络合作用，有机污染物本身的极性、官能团、及存在形态等入手，通过静态吸附实验，结合化学和谱学技术，研究了自然环境中常见金属离子对典型有机污染物在矿物微孔中吸附的影响。一方面，我们研究了K+和Ca2+对非离子型有机污染物1,4-二硝基苯和对二甲苯在不同表面电荷密度的模拟矿物（HZSM-5沸石）微孔中吸附的影响。结果表明，当沸石的表面电荷密度较高或较低（> 1.78 sites/ nm2或< 0.16 sites/nm2）时，有机物主要吸附在疏水性位点上，K+和Ca2+对其在沸石微孔中吸附的影响可以忽略。当沸石的表面电荷密度处于中间范围（0.16 sites/nm2~1.78 sites/ nm2）时，K+由于具有较低的水合自由能，可以降低沸石表面对水的亲和力，从而促进有机物的特异性吸附。而Ca2+的水合自由能较高，对有机物的吸附基本无影响。K+和Ca2+对1,4-二硝基苯和对二甲苯在四种天然矿物（蒙脱石，伊利石，高岭土和丝光沸石）微孔中吸附的影响也表现出同样的规律，说明该影响机制对不同孔道结构的微孔矿物具有普适性。另一方面，针对金属离子的水解和与有机污染物特定官能团的络合效应，我们考察了过渡金属离子Fe3+和Cu2+对三嗪类除草剂阿特拉津和扑草净在土壤常见微孔矿物蒙脱石、伊利石和高岭土上吸附的影响。总体上看，由于Fe3+的强水解作用导致矿物表面酸性增强，使得三嗪类除草剂的质子化程度增加，吸附量增加。但在pH 8.0条件下，由于铁氢氧化物沉淀的生成，Fe3+对三嗪类除草剂在蒙脱石上的吸附无影响甚至表现出抑制作用。而Cu2+对三嗪类除草剂吸附的促进作用随着pH的升高而增加，在蒙脱石和高岭土上，只有在pH 8.0时，Cu2+对三嗪类除草剂的吸附才表现出促进作用，而在伊利石上，在pH 4.0和6.0条件下，Cu2+同样表现出明显的促进作用，进一步证实了在中等电荷密度的矿物上，金属离子与有机污染物的特异性吸附更明显。项目执行期间以第一作者发表标注资助号的国际SCI期刊论文3篇、其中1篇发表在Environmental Science & Technology上，1篇发表在Water Research上，且本项目均为第一标注。