改性粘土强化零价铁修复地下水重金属污染物的协同作用机制

本课题拟根据重金属离子的性质，选用不同粘土和改性试剂，调控改性粘土的组成、结构、表面功能基团，以提高对重金属离子的吸附富集作用。通过柱试验方法，将改性粘土与零价铁、砂一起作为混合活性材料，改变零价铁与重金属污染物反应的微环境、有效抑制铁表面钝化、显著增强零价铁对地下水中重金属污染物的去除效率、改善活性材料的渗透性、提高PRB墙体中零价铁反应活性，延长其使用寿命，拓宽Fe0 PRB技术修复重金属污染地下水的pH适用范围。通过考察反应过程中重金属污染物在不同颗粒物界面上的微观作用环境和价态变化，结合反应过程中物质组分、浓度及Eh等变化，探讨不同体系中重金属污染物的反应机理和协同作用机制。在此基础上，通过调控改性粘土的组成及微界面的物理、化学性质，最大限度地发挥改性粘土在零价铁去除重金属污染物中的强化效应，为开发新型、高效、经济修复地下水重金属污染的PRB活性反应材料提供理论依据。

零价铁处理污染物被认为是一种很有发展潜力的环境修复技术。但在处理过程中，介质pH会升高、铁腐蚀产物和难溶盐会覆盖在铁表面，从而影响了零价铁的反应活性和使用寿命。为了解决这一问题，本课题利用层状粘土特有的结构－功能可调、缓冲介质pH的性质，根据待处理重金属污染物的性能，将合适改性制得的表面zeta电位、亲疏水性各异、对污染物有良好吸附性能的改性粘土，在模拟PRB（流动柱试验）中与零价铁、砂一起用作混合活性材料或作载体负载纳米铁，用于处理不同性质的重金属污染物。.主要研究改性粘土对零价铁去除重金属污染物中的强化作用及其机制。通过：（1）在流动柱试验中，用荷正电的羟基铝柱撑膨润土（Al-bent）/ZVI、荷负电的钠基膨润土(Na-bent)/ZVI处理合成废水中重金属阴离子（SeO42-、CrO42-）；选用三种荷负电性的天然粘土矿物/ZVI（海泡石、钙基膨润土、高岭土）处理废水中的Pb2+。（2）在序批试验中，考察各种改性膨润土负载纳米铁分别处理SeO42-、CrO42-、UO22+。（3）结合改性粘土与污染物性质，运用XAFS、XPS、XRD、SEM-EDX等手段，考察改性粘土/零价铁处理重金属污染物反应过程中，主要物质组分、浓度、价态、键合形式、介质pH变化、以及零价铁和粘土表面的理化性质变化，研究改性粘土对零价铁处理重金属污染物的强化作用规律和作用机制。.主要研究结果：（1）改性粘土/零价铁对污染物的去除率明显优于零价铁和改性粘土对污染物去除率的加和，显著提高模拟PRB中与零价铁处理污染物的反应寿命。强化作用大小与改性粘土对污染物的吸附能力成正比，即：荷正电Al-bent /ZVI有利于去除无机阴离子污染物；荷负电的粘土/ZVI有利于去除无机阳离子污染物。(2) 改性粘土存在，可明显降低反应介质pH、减少铁表面腐蚀产物，并能使铁表面生成的部分腐蚀产物转移到土上，从而有助于提高NZVI的反应活性和寿命。（3）改性粘土的存在，可使反应体系显示出较强的抗共存组分的干扰能力。（4）特别有意义的实验结果：在合适条件下，反应过程中生成并吸附在粘土上Fe(Ⅱ) 的还原能力远高于游离态的Fe(Ⅱ)，从而能提高单位铁量的还原能力。相关研究成果“膨润土协同零价铁去除污染物的作用机理”在第八届全国环境化学大会作邀请报告，已发表10篇，其中SC论文 8篇。