纳米Fe3O4/Na2CO4对地下水硝基苯污染的修复效能及机理研究

The Fenton reagent has been widely applied in remediation of groundwater contaminated by organic pollutants due to its high degradation ability. However, hydrogen peroxide can be easily decomposed into water and oxygen in the complex medium of groundwater, and may result in high consumption of hydrogen peroxide. So, how to control its concentration and transportation in groundwater is the key point for successful application of this remediation technology. This paper intends to use percarbonate sodium (Na2CO4) as slow-released agent of hydrogen peroxide, and prepare nano-Fe3O4 as catalyzer. The Na2CO4 and nano-Fe3O4 constitute a heterogeneous Fenton-like reagent, which are injected into groundwater and form a reaction zone for remediation of nitrobenzene-contaminated groundwater. The batch experimental study will be conducted to explore the Fenton-like reaction mechanism and the degradation mechanism of nitrobenzene by nano-Fe3O4/Na2CO4. The effect of chemical composition of groundwater on degradation efficiency will be investigated. The column experiments and groove experiments will be conducted to analyze migration and distribution characteristics of nano-Fe3O4/Na2CO4 in groundwater, and to establish the functional relationships among nano-Fe3O4/Na2CO4 injection parameters, hydrogeology conditions, and remediation efficiency.

芬顿试剂由于其对有机污染物的高效降解能力而在地下水污染修复得到了广泛的应用，但过氧化氢在复杂的地下水环境介质中很容易直接分解成水和氧气而造成试剂的大量浪费，因此如何控制其在地下水中的浓度和传输效率是该技术成功应用的关键。本课题拟采用过碳酸钠(Na2CO4)作为过氧化氢缓释剂，制备亲油性纳米四氧化三铁(Fe3O4)作为催化剂，两者组成非均相类芬顿试剂注入地下水形成反应带来修复硝基苯污染。采用批次实验研究纳米Fe3O4/Na2CO4类芬顿反应机理和纳米Fe3O4/Na2CO4对硝基苯的降解过程及机理，阐明地下水化学成分对降解效果的影响；采用柱实验和槽实验装置模拟纳米Fe3O4/Na2CO4在地下水的迁移分布特征及传输效率，建立纳米Fe3O4/Na2CO4注入参数、水文地质条件与修复效率之间的关系，评估纳米Fe3O4/Na2CO4反应带对硝基苯污染地下水的修复效能与水文地质效应。

采用液相共沉淀法或球磨法制备纳米级四氧化三铁（n-Fe3O4），加入海藻酸钠、石蜡、硬酯酸、油酸、表面活性剂等不同类型的有机化合物对n-Fe3O4进行表面改性，制备系列亲油型n-Fe3O4，克服了其易团聚、难分散的缺点，提高其在硝基苯溶液中的分散性及其硝基苯的相溶性。液相共沉淀法制备的Fe3O4为纳米级，但制备过程较复杂，成本较高；球磨法制备的Fe3O4为微纳级，但制备效率高，成本低，且不产生二次污染。柱穿透实验结果表明，与未改性的纳米Fe3O4相比，表面有机改性的纳米Fe3O4不容易团聚，在砂柱中的穿透率提升了50%以上，标准大气压下自流穿透距离可达1m以上，加压条件下穿透距离可达3m以上。.采用批次实验研究了n-Fe3O4/SPC对硝基苯的降解效能。结果表明，当两者投加量分别为5g/L和2g/L，反应时间为时，硝基苯初始浓度为100mg/L，反应时间为2h时，硝基苯去除率可达80%以上，反应溶液pH和溶解氧均呈上升趋势。硝基苯去除率随溶液初始pH值的升高而下降，活性物种猝灭实验和电子顺磁共振测度结果表明，主要活性物种为超氧自由基，主要降解产物为苯胺。有机改性提高了降低了其反应活性，但提高了n-Fe3O4的有效期。.在地下含水层中，污染物与修复药剂的充分接触是实现污染物降解和修复剂高效利用的重要瓶颈问题之一。本项目通过有机改性制备的亲油型n-Fe3O4进行原位注入修复硝基苯污染含水层模拟实验，结果表明n-Fe3O4/SPC依次注入可有效消减泄露源区的硝基苯含量，控制硝基苯的扩散并削减其传输通量，但n-Fe3O4浆液注入浓度过高时容易引起含水层孔隙堵塞，反而降低了n-Fe3O4的传输性能。采用球磨法制备的微纳级Fe3O4或石蜡、硬酯酸助磨制备的亲油型n-Fe3O4作为反应屏障的填充介质，配合泄露源区SPC的原位注入进行联合修复，实现了吸附/氧化还原同步处理，进一步提升了硝基苯的截留量和消减效果。采用纳米二氧化硅溶液制备的SPC凝胶配合亲油型n-Fe3O4原位注射，通过SPC的可控释放提升SPC的有效期，可长效消减泄露源区的硝基苯含量并减少其传输通量，显著缓解了传统原位化学氧化中直接注射容易产生的拖尾、反弹问题。