纳米零价铁组装的超微球修复地下水中氯代物的研究

Nanoscale zerovalent iron (ZVI) is a promising material for remediation of thousands of sites that are contaminated by chlorinated solvents. However, current nanoscale ZVI technology suffers from high material cost, short subsurface lifetime and low mobility in groundwater. To address these problems, we propose to produce a novel and inexpensive ZVI supraparticles that are assembled by nanoscale ZVI. Monodisperse magnetite supraparticles (~220 nm) is firstly synthesized using microwave-assisted hydrothermal process and then reduced by H2 at > 500 oC to obtain ZVI supraparticles. The magnetite and ZVI supaparticles are subjected to extensive physical characterization using various techniques. The reactivity of ZVI supraparticle is evaluated through the degradation of trichloroethene (TCE) and its longevity in groundwater is evaluated through its Fe0 content and TCE degradation rate change during its aging in simulated groundwater. The combined information is used to understand the structure advantage of ZVI supraparticles for enhancing the particle reactivity and longevity balance, compared to nanoscale ZVI synthesized under similar conditions and the other two traditional nanoscale ZVI. The transport of ZVI supraparticles in porous media is evaluated in a sand column and modelled by modified classical filtration theory to understand how the size and monodispersivity of ZVI supraparticles improve their transport in subsurface.

纳米零价铁是一种很有前途的地下水原位修复材料，但是纳米零价铁技术在现阶段还存在较多的问题，比如其制备成本高、活性高却寿命低以及地下流动性差等。针对上述缺陷，本申请提出用水热方法合成Fe3O4超微球然后用氢气还原获得一种新的纳米零价铁结构，由多个小的纳米零价铁子颗粒组装而成的、单分散的零价铁超微球。我们预想这一结构将提高纳米铁子颗粒污染物降解活性和寿命的平衡以及超微球在多孔介质中的流动性。本研究拟通过系统的污染物降解、颗粒老化、和柱实验来验证这些预想，进而通过对零价铁超微球及其老化产物的形态，结构等的系统表征来重点研究超微球物理特性对活性和寿命平衡提高的机理，以及通过胶体、过滤理论来解释超微球结构对地下传递性的促进机制。单分散零价铁超微球用于地下水原位修复，目前国内外尚无相关报道，具有创新性。

纳米零价铁（NZVI）是一种有前景的地下水原位修复技术，尤其针对含氯有机物。通过改性，降低NZVI的成本和聚集，以及提高对污染物的选择性，是NZVI研究的重要方向之一。研究以此为目标，在具体理解NZVI聚集和对污染物选择性的基础上，提出通过氢气还原纳米Fe3O4组装的超微球，以及球磨微米级ZVI和炭、硫材料，在获得低成本NZVI的同时，提高NZVI表面的疏水性和对原子氢结合的抑制，从而提高对含氯有机物降解的选择性。重点研究了（1）球磨铁炭复合体（Fe-C）的制备、表征及降解TCE的反应途径和在油相有机物的分布，证明Fe-C可以瞬时（<3min）吸附90%以上的TCE并持续将吸附的TCE还原为乙烷和乙烯等小烃分子，Fe-C在水-正丁烷混合体系中可以瞬时分散到正丁烷相中，说明其能够攻击地下水中的油相污染物；（2）在NZVI过量和不足量的两种条件下，球磨硫化ZVI（S-mZVI）降解三氯乙烯（TCE）的动力学、反应途径以及电子效率，以及表面改性层导电性、对原子氢结合的抑制及疏水性对ZVI降解TCE活性和选择性的影响；表明TCE在S-mZVI上的脱氯途径主要是β去除，且FeS是TCE的主要反应位，在TCE过量的情况下，S-mZVI降解TCE的速率、电子效率及单位质量Fe0降解TCE的量各为球磨ZVI的15倍，11倍及16倍；FeS相对铁氧化物的高导电性及对原子氢结合的抑制被认为是TCE在FeS表面高效利用Fe0释放的电子，产生协同降解效应的主要原因。本研究的结果为进一步开发兼具高活性和高选择性的改性NZVI奠定基础。