重金属固液界面吸附、反应及迁移的原子尺度机理研究

Remediation of heavy metal contaminated environment is a key challenge to environmental scientists and engineers, as toxic metals cannot be remediated with conventional technology such as bioremediation. Development of innovative technologies demands full understanding on the fundamental mechanisms controlling the reactions and stability of metal ions in the environment. Research outlined in this proposal aims to explore cutting edge analytical methods, which can observe on the atomic scale the reactions of selected heavy metal ions (As, Cr, Co, Ag, Cd, Cu, Hg, Pb) on nanoscale zero valent iron (nZVI). Specific objectives include: (1) applications of Cs-corrected High Resolution Scanning Transmission Electron Microscopy (Cs corrected HR-STEM) for probing and imaging of metal ions on nanoparticle surfaces. (2) Investigations of selected heavy metal ions on nanoscale zero valent iron (nZVI), the focus will be on the effect of environmental conditions. (3) Applications of the above methods and results for development of treatment/remediation technologies under complicated environmental conditions. The ultimate goal is to develop a unified model, which can interpret metal ion reactions and mobility in the presence of nZVI. This research is built upon more than 17 years of research experience on nZVI. This proposed research, if funded will provide valuable opportunities to graduate students, postdoctoral researchers and junior faculty to conduct innovative research in aquatic chemistry and environmental nanotechnologies.

重金属污染控制是我国环境治理目前面临的一项挑战。固液界面吸附及氧化还原反应是控制重金属宏观环境迁移及形态转化的关键因素，然而目前对固液界面过程缺乏相应微观（特别是原子尺度）的研究方法。本项目拟在申请人十余年相关研究基础上，以揭示环境介质中重金属固液界面化学行为为目标，着重在原子尺度上研究典型重金属（As、Cr、Co、Ag、Cd、Cu、Hg、Pb等）固液界面吸附/氧化/还原反应机理、动力学及微观迁移过程，确定复杂环境因素对微观作用机制影响，建立反应及迁移理论模型。研究将利用球差校正高分辨率扫描透射电子显微镜（STEM+EDS+EELS）等系列高端表征设备，建立复杂环境介质重金属迁移及表面反应研究方法，发展适用于水化学固液界面研究手段。有望为复杂环境下重金属宏观迁移和转化动力学研究提供原子层次上的机理解释，为重金属污染水体、土壤及底泥强化处理与修复技术的研发提供理论基础。

重金属污染控制是我国环境治理的一大难题。固液界面吸附及氧化还原反应是控制重金属宏观环境迁移及形态转化的关键因素，然而目前对固液界面过程缺乏相应微观（特别是原子尺度）的研究方法。本项目在申请人十余年相关研究基础上，以揭示环境介质中重金属固液界面化学行为为目标，着重在原子尺度上研究典型重金属（As、Cr、Co、Ag、Cd、Cu、Hg、Pb 等）固液界面吸附/氧化/还原反应机理、动力学及微观迁移过程， 确定复杂环境因素对微观作用机制影响，建立反应及迁移理论模型。研究利用球差校正高分辨率扫描透射电子显微镜（STEM+EDS+EELS）等系列高端表征设备，建立复杂环境介质重金属迁移及表面反应研究方法，发展适用于水化学固液界面研究手段。.主要成果包括：（1）成功把纳米铁应用于高浓度复杂重金属废水处理。通过实验室实验研究及现场中试，开发了适用于纳米铁的反应器，成功用于江西铜业集团，湖北大治有色金属集团，湖南水口山铅锌矿的高浓度复杂重金属废水处理。是目前纳米铁应用废水处理的首个大规模成功范例。（2）重金属表面反应的原子尺度研究方法。利用球差校正高分辨率扫描透射电子显微镜（STEM+EDS+EELS）等系列高端表征设备，建立了复杂环境介质重金属（Cu, Ni, Cr, As, Se, U等）迁移及表面反应研究方法，发展适用于环境化学固液界面研究手段。为复杂环境条件下重金属宏观迁移和转化动力学研究提供原子层次上的机理解释，为重金属污染水体、土壤及底泥强化处理与修复技术提供理论基础。