纳米零价铁在含水层中的腐蚀过程与产物演化对三氯乙烯去除的影响机理研究

People pay more and more attention on nano-iron because it has high removal efficiency and can be used in deeper aquifer. But nano-iron with high specific surface area is corroded easily and generates a lot of corrosion products compared to granular iron. It is unreasonable to ignore the effect on aquifer permeability and removal mechanism for pollutants from corrosion process and products evolution. The project will characterize nano-iron corrosion kinetic process and corrosion products evolution under different environment conditions from amorphors, weak crystallized to well crystallized by small angle XRD, laser Raman and micro-FTIR. We will focus on the relation between rust expansion coefficient and aquifer permeability. The factors will probed which control the change of permeability from nano-iron application. TCE, which is one of typical chlorinated hydrocarbons removed by granular iron, will be taken as model compound to reveal the removal mechanism by nano-iron and corrosion products. This research aims to well understand evolution process of nano-iron in groundwater from mineral structure and nano-particles interaction and it is helpful for nano-iron application.

纳米零价铁(nano-iron)的高去除效率和可被用于更深含水层的特性使其备受关注。然而，nano-iron在地下水中发生腐蚀产生大量腐蚀产物，腐蚀过程和产物演化对含水层渗透性和污染物去除机理有着重要影响。本研究以含水介质中nano-iron腐蚀过程和产物演化为研究对象，利用小角XRD、显微红外、激光拉曼光谱等原位表征手段刻画在不同地下水环境和水化学参数影响下nano-iron的腐蚀动力学过程和腐蚀产物从无定型到弱结晶再到结晶的过程，尤其关注腐蚀和产物演化过程中溶胀因子的变化，探讨nano-iron注入后含水层渗透系数变化的主要控制因素，同时以三氯乙烯（TCE）为代表性污染物探讨nano-iron去除氯代烃的动力学过程，揭示nano-iron去除氯代烃的机理，从微观矿物结构演化和纳米颗粒相互作用的角度去理解和把握地下水系统中nano-iron颗粒的腐蚀和产物演化对修复过程的影响。

本研究针对纳米零价铁在实际应用中易被腐蚀而影响其寿命及污染物去除效率而展开研究。批实验发现不同的水溶液条件下，纳米铁腐蚀的快慢程度及产物类型有所差异，这对于实际应用时污染物的去除将会有很大的影响，针对不同的地下水类型要采取不同的措施以延长纳米铁的反应寿命和污染物的去除效率。而实际研究也表明，不同的地下水化学条件下，纳米铁的腐蚀及TCE的还原有很大差异，例如常见的Cl-，HCO3-等会加快纳米铁的腐蚀并促进三氯乙烯(TCE)的还原，而NO3-的存在会通过竞争电子及钝化纳米铁表面而抑制TCE还原。将纳米铁和膨润土以及过硫酸盐联合使用，可以达到对NAPL污染源区的快速的固定削减作用，这一发现解决了实际源区污染场地修复的关键问题。柱实验研究了不同注入条件对于含水层渗透性的影响，表明含水层介质、注入速度、纳米铁注入量会显著影响含水层的渗透性，并通过理论计算了纳米铁腐蚀产物含量变化对渗透性的影响，发现HCO3-存在下腐蚀作用最强从而导致渗透性的损失高达60.2%。因此在实际应用纳米铁注射技术进行地下水环境修复时，需要进行准确的模拟计算，在对含水层最小扰动的情况下实现污染物的最优修复。本研究为纳米铁技术应用于实际污染场地的长期修复提供了重要的数据支撑和理论指导。