预磁化/硫化协同驱动零价铁对水中三氯乙烯的去除效能及作用机制研究

Zerovalent iron (ZVI) has been widely used in contaminated groundwater remediation, whereas the low reaction rate and electron selectivity of ZVI toward numerous contaminants have posed potential limitations to the practical application of ZVI-based technology. It is highly desirable to develop corresponding countermeasures that can significantly improve the reactivity of ZVI. Taking trichloroethylene (TCE) as the model pollutant of the contaminated groundwater, the premagnetization and sulfidation can both significantly enhance the reaction rate of ZVI toward contaminant. Given that, there also may be the coupled effects of premagnetization and sulfidation on the reactivity of ZVI involved its reaction rate and electron selectivity. Hence, the main objectives of this project are to explore the coupled effects of premagnetization and sulfidation on the reactivity (i.e., reaction rate and electron selectivity) of ZVI toward TCE by batch and to illustrate the mechanisms involved the reaction system. Moreover, the performance of ZVI coupled by the premagnetization/sulfidation for TCE remediation from synthetic groundwater in column tests will be identified. This project will provide the theoretical and technical support for the application of ZVI-based technology in real groundwater remediation.

零价铁（ZVI）已较广泛地应用于受污染地下水的修复中，然而ZVI对污染物的低反应速率和低电子选择性是ZVI技术应用的重要障碍。三氯乙烯（TCE）作为地下水中常见的有机污染物，如何同步提升ZVI对TCE的去除速率以及电子选择性是本课题所关注的焦点。课题初步研究结果已证实，预磁化与硫化对ZVI除TCE的反应速率存在着协同效应，但其对ZVI除TCE电子选择性的影响尚不明确。基于此，本课题拟系统地考察预磁化/硫化对ZVI除TCE反应速率、电子选择性的影响规律，并以此为切入点，探究预磁化/硫化对于ZVI除TCE反应速率、电子选择性的协同作用及机制。此外，本课题拟开展预磁化/硫化对ZVI填充柱处理TCE模拟地下水长期运行效果的影响。该系列工作的开展有望明确预磁化/硫化驱动ZVI除TCE效能影响及其作用机制，并最终为基于预磁化/硫化的ZVI水处理技术走向实际地下水修复提供理论与技术支撑。

当零价铁（ZVI）应用于污染物的还原去除时，其大部分消耗于与氧气（有氧条件下）、氢离子或水的副反应，而对目标污染物的电子效率较低，导致了ZVI的极大浪费并限制了该技术广泛应用。因此，如何同步调控有氧体系下ZVI还原除污染的反应活性和电子效率（EE）已成为当前铁污染控制技术领域的关键挑战。.第一，明确了弱磁场（WMF）能够强化ZVI除含氧金属阴离子的反应速率、去除容量以及EE。WMF条件下ZVI对污染物的去除容量能够达到：81.6 mg Sb(V)/g Fe、79.0 Se(IV)/g Fe、85.3 mg As(III)/g Fe、25.7 mg As(V)/g Fe、70.7 mg Sb(III)/g Fe和31.9 mg Se(VI)/g Fe。相应地，ZVI对含氧金属阴离子去除容量的提高倍数为 2.8-17.6 倍。此外，WMF还能够将零价铁对Se(IV)和Se(VI)的EE从0.3%-1.9%提高到3.8%-6.8%，提升倍数分别达到3.7-10.0、4.3-14.1倍。进一步地，本研究通过能谱表征结合相关分析证实了WMF强化ZVI除污染效能的作用机制主要是通过磁场梯度力调控有氧体系中污染物的迁移扩散并改善ZVI的电子转移过程而实现的。.第二，明确了有氧体系下硫化能够促进ZVI去除水中Cr(VI)的反应活性并同步改善EE。探明了硫化对不同体系下ZVI除Cr(VI)反应速率的提升倍数为1.4-29.9，甄别了硫化ZVI（S-ZVI）最优S/Fe摩尔比为0.050，测定了S单质球磨硫化零价铁（S-ZVIbm）和Na2S水相合成硫化零价铁（S-ZVINa2S）在Cr(VI)多批次投加试验中去除容量分别能达到30.8 mg/g和27.2 mg/g，借助于能谱技术分析并证实了硫化对ZVI还原除Cr(VI)的EE提升倍数分别为10.7倍（S-ZVIbm）和7.5倍（S-ZVINa2S）。基于相关性分析以及竞争试验，明晰了硫化强化ZVI还原去除Cr(VI)效能的作用机制在于硫化对ZVI还原Cr(VI)的提升更具倾向性。此外，S-ZVI表面的低价态硫化物能够提高ZVI颗粒表面膜的导电性并改善铁颗粒表面对Cr(VI)的富集能力。.综上，本系列研究工作有望为水中污染物的高效去除提供新的铁基技术方法以及坚实的理论依据。