纳米四氧化三铁/石墨烯活化过硫酸盐机理及降解三氯乙烯研究

Trichloroethylene (TCE)was widely used in industry and became one of the most ubiquitous pollutants in groundwater. Using TCE as a contaminant of concern, persulfate will be selected as an oxidant. The bi-functional agent of nanoscaled magnetite/graphene composite having adsorption and degradation ability will be synthesized to rapidly activate persulfate to produce sulfate anion free radical. This project aims at constructing nanoscaled magnetite/graphene-persulfate system, which can efficiently degrade TCE without more toxic intermediates accumulating during degradation process under natural groundwater condition of neutral pH. The effects of experimental synthesis conditions on nanoscaled magnetite/graphene particle size, performance of surface charge and Fe(II)/Fe(III) distribution will be investigated. The core of the project is to study enhancing effect,electron transfer processes and activating mechanism of nanoscaled magnetite/graphene agent. TCE degradation pathway, transformation mechanism and kinetics in nanoscaled magnetite/graphene-persulfate system is also discussed. It is anticipated that this project will formulate a new environmental friendly method for efficient degradation of TCE and successful implementation of the project will offer theoretical foundation for safe and effective remediation of TCE contaminated water.

三氯乙烯（TCE）在工业生产中的大规模使用，使其成为地下水中分布最为广泛的污染物之一。本项目拟以TCE为目标污染物，选取过硫酸盐为氧化剂，制备具有吸附降解双功能的纳米四氧化三铁/石墨烯活化剂，构建纳米四氧化三铁/石墨烯-过硫酸盐高级氧化技术体系。利用上述体系产生的硫酸根阴离子自由基，实现TCE在天然地下水近中性pH值条件下的高效降解，且降解过程中无有毒中间产物的生成与累积。探索实验制备条件对纳米四氧化三铁/石墨烯活化剂粒径大小、Fe(II)/Fe(III)分布及表面荷电性能的影响，重点研究纳米四氧化三铁/石墨烯活化过硫酸盐的增强效应、电子转移过程、活化机理及TCE在纳米四氧化三铁/石墨烯-过硫酸盐体系中的降解历程、转化机理以及动力学影响规律，进而提出一种环境友好修复TCE污染水体的新方法。本项目的成功实施将为TCE污染水体的安全高效修复奠定理论基础。

三氯乙烯（TCE）作为清洗剂在工业生产中大规模使用，是地下中检出频率较高的有机污染物。以过硫酸盐产生硫酸根自由基（(SO4•-)）为基础的高级氧化技术被广泛用于TCE污染水体的降解与矿化。本项目首先采用液相沉积法制备具有吸附降解双功能的纳米Fe3O4/石墨烯活化剂，进而构建纳米Fe3O4/石墨烯-Na2S2O8高级氧化技术体系实现TCE的降解。研究结果表明，制备的纳米Fe3O4颗粒呈球形，平均粒径在20 nm左右；石墨烯材料呈片状，有堆积现象；纳米Fe3O4/石墨烯复合材料中纳米Fe3O4颗粒均匀分布在石墨烯片层结构上，可有效阻止纳米Fe3O4颗粒的团聚和增大了石墨烯表面的片层。当纳米Fe3O4/石墨烯（最优质量比1:4）6.94 g L-1，Na2S2O8浓度为3.0 mmol L-1，初始pH 为6.2时，反应5min，0.15 mmol L-1的TCE降解率可达98.6%。纳米Fe3O4/石墨烯-Na2S2O8降解TCE的机理如下：首先，纳米Fe3O4通过 Fe−O−H作用均匀沉积在石墨烯表面，通过纳米Fe3O4/石墨烯表面Fe(II) 的电子转移作用，活化Na2S2O8产生SO4•-，而Fe(II) 被氧化成Fe(III)，生成γ-Fe2O3；其次，石墨烯表面的–OH和 COOH也通过电子转移过程活化Na2S2O8产生SO4•-，石墨烯表面的亲水基团加速电子转移过程。SO4•-生成以后，通过电子转移作用机理和TCE反应生成TCE阳离子自由基 (TCE•+)，然后迅速与水反应生成羟基化TCE自由基（(OH)TCE•）。此外，如果溶液体系的pH大于7.0，生成的SO4•-会与水反应生成•OH，•OH通过氢加成或取代反应生成羟基化TCE自由基（(OH)TCE•）。在SO4•-和pH>7.0条件下生成•OH作用下，TCE被逐级降解并最终矿化。