FeS矿物结构转化介导活性氧自由基产生对典型有机污染物降解机制研究

Injection of oxygen-containing waters into anoxic Fe(II)-rich subsurface sediments results in generation of reactive oxygen species (ROS) with these species capable of dramatic impacts on the subsurface environment. The objective of this project are to (i) investigate oxygen-mediated structural transformation of FeS, as the model of reduced Fe sediments, and generation of ROS, (ii) establish mechanistically-based kinetic model to quantitatively elucidate the interplay among FeS, O2 and ROS, (iii) understand effect of ROS generation on degradation mechanism of typical brominated fire retardants (e.g. TBBPA) and (iv) elucidate effects of subsurface environmental factors on the ROS-mediated degradation of TBBPA. The insight into the ROS generation on oxygen-water-FeS interfaces will not only contribute to understand the transformation of TBBPA in natural subsurface environments, but also offer potential strategies for FeS-mediated remediation of TBBPA-contaminated sites.

氧气通过多重途径进入地下还原环境可介导亚铁型矿物诱发活性氧自由基(ROS)，这些高活性自由基对地下环境中碳、铁等元素的氧化还原循环与污染物的迁移转化有着重要的影响。本项目聚焦地下水和沉积物环境，以无定形FeS、马基诺矿为地下沉积物模型，重点研究氧气介导FeS结构转化及其ROS界面产生机制；构建基元反应动力学模型，用以定量阐述FeS-O2-ROS相互作用关系；阐明FeS与ROS共存时对典型溴代阻燃剂 (四溴双酚A，TBBPA) 非生物降解过程与路径的影响；探讨重要环境因素对O2介导FeS氧化-还原协同降解机制影响。本项目通过深入剖析O2-H2O-FeS界面ROS产生的地球化学行为，为全面评估TBBPA等新兴有机污染物在地下沉积环境中自然衰减过程以及FeS应用于TBBPA污染环境的实际修复提供重要的理论和实践依据。

在自然环境中，污染物的迁移转化过程与环境中广泛存在的铁系矿物密切相关。本项目围绕铁硫化合物、铁氧化合物及功能型铁材料作为研究对象，重点研究在厌氧-有氧作用下，不同铁系材料结构晶型转化与ROS形成对典型重金属及新兴有机污染物的去除降解机制。研究内容主要包括：（i）在厌氧环境下，铁氧化物与还原硫生成FeS反应机理；阐明了不同条件下矿物表面结合态Fe(II)、硫化亚铁铁矿物的生成以及次生矿物的转化；总结了地下水和地表下土壤中存在的多种典型重金属与有机污染物。（ii）基于铁氧化物晶型结构转化及其调控制备了一种具备独特筛分功能的磁性铁氧化物离子筛材料。实验结果表明，材料铊吸附容量高达528 mg/g；在共存离子浓度为Tl+浓度10,000倍情况下，仍能实现铊高达92%去除效率；在pH 3-10范围内仍保持着90%以上去除率。同时，探究有机配体存在对铁氧化物/金属-有机配体三元体系中不同络合态重金属去除的影响。实验结果表明，Cu2+/CuII-EDTA可以通过表面吸附和共沉淀作用去除，而 Ni2+/NiII-EDTA 只能通过表面吸附去除。（iii）在有氧环境下，探究以Fe0、Fe3O4为典型代表的功能型铁材料在腐殖酸、小分子酸等作用下，界面腐蚀与ROS形成机制；构建基于重要基元反应的第一性动力学模型，通过对实验数据的模拟获得重要基元反应的动力学参数，实现多相体系的污染物降解转化定量描述与机制研究。本项目通过深入剖析铁硫化合物、铁氧化合物及功能型铁材料的界面腐蚀及ROS产生的环境地球化学行为，为全面评估重金属及新兴有机污染物在天然与人工水环境中转化过程以及为上述铁基材料应用于污染环境的实际修复提供重要的理论和实践依据。依托项目以第一/通讯作者累计发表SCI论文7篇，中文核心论文1篇。