高铁酸钾对水中铊的氧化特性及新生态纳米级铁氧化物除铊机理

Thallium (Tl) mainly exists as monovalent state in water and is highly toxic. It is easy to be transported in the environment due to its ionic radius is small. Meanwhile，Tl is tend to bio-accumulate in creatures. Accompanied with the rapid industrialization and urbanization of China in recent decades, the Tl pollution scope is expanding and Tl is frequently detected in waters in some regions. Water constituents would negatively impact the Tl removal process, and removing trace Tl from polluted water is challenging. Previous study showed that ferrate(VI) would oxidize Tl(I) to Tl(III), which is easy to be settled and captured. The newly formed iron oxide nanoparticles are small, well distributed, rich of adsorption sites (mainly hydroxyl), and can effectively remove trace Tl from polluted water. However, the reaction mechanism is ambiguous. This application mainly focuses on exploring the migration and transformation of Tl in polluted water and sediment, to identify the dominant form of Tl in polluted water; analyzing the reaction dynamics and the properties of products, and revealing the reaction mechanism; exploring the effects of reducing agents and water constituents on the removal of Tl with ferrate and the desorption of Tl, and optimizing the operation procedures. Relevant data and information would support further studies regarding the control of heavy metals in polluted water and maintain the quality of drinking water in China.

铊是剧毒重金属元素，离子半径小、所带电荷少、环境迁移性及生物蓄积性强。我国城市化进程伴随的工业活动使铊的污染范围不断扩大，部分水体中铊检出频率逐年上升。水中铊的去除易受背景因素干扰，痕量铊的去除难度极大。前期研究发现高铁酸钾可将水中迁移性强的一价铊氧化为惰性的三价铊，且反应过程中形成的新生态纳米级铁氧化物水合半径小、分散程度高、比表面积大、吸附位点丰富，可高效除铊，但微观作用机理尚不明晰。本项目拟研究受污染水体及沉积物中铊的迁移转化规律，明确水中铊的主要存在形态；分析高铁酸钾与铊的反应动力学及产物物理化学性质，阐明反应机理；研究反应过程中纳米级铁氧化物的生成规律及与铊的作用过程，揭示新生态纳米级铁氧化物与铊的微观反应机理；研究还原剂及水质背景成分等对高铁酸钾除铊效果及铊脱附行为的影响，调控并优化高铁酸钾除铊反应过程。为利用高铁酸钾控制水体重金属污染、保障城乡供水安全提供理论及技术支持。

剧毒重金属铊在水中主要以一价阳离子形态赋存，其化学性质类似于钾离子，溶解度大、环境迁移性强。水中铊的去除易受背景成分干扰，去除难度极大。本项目围绕高铁酸盐[Fe(VI)]除铊开展了三方面研究：（1），阐明了铊在受污染水体及沉积物中的迁移转化规律，发现南方某地区铊污染河流中铊元素主要以一价阳离子形态赋存，矿产资源开发导致的元素迁移可能是沉积物中铊的主要来源。发现松花江江水中铊元素检出率低，但冬季降雪雪样中含有纳克升级别铊。化石燃料燃烧可能是北方地区铊污染的潜在原因。（2），高铁酸钾可将化学活性强的一价铊氧化为惰性的三价铊，并在（羟基）铁氧化物颗粒形成过程中以内络合方式将三价铊包裹于颗粒内部，有效抑制其脱附。通过高铁酸钾预氧化与铁系絮凝剂的耦合处理，可有效提高对铊污染原水的处理效果，保障出水水质达标。水中腐殖酸等天然有机物会与高铁酸钾发生反应并包裹铁氧化物颗粒，不利于铊的去除。（3），发现微量Mn(II)（50 μg/L）的加入不仅可提高铊的去除效率，而且促进了铁、锰氧化物颗粒的快速凝聚。在反应过程中，Mn(II)被氧化成MnO2，部分Tl(I)被氧化成Tl(OH)3，Fe(VI)被还原成铁(氢)氧化物。带负电荷的MnO2 与带正电荷的（羟基）氧化铁通过静电吸引相互作用，形成铁/锰氧化物二元絮体。Tl(I)和Tl(OH)3被带负电荷的铁/锰氧化物二元絮体吸附，可通过固-液分离去除。通过调整Fe(VI)/Mn(II)摩尔比可实现对被污染原水中痕量Tl的高效去除。本项目的开展揭示了高铁酸盐除铊的效能与机理，为实现水体痕量铊污染控制提供了理论依据和技术支持。围绕上述研究，在SCI期刊发表研究论文22篇(以第一/通讯作者在环境及水处理领域权威期刊《Environmental Science & Technology》发表研究论文4篇、在《Water Research》发表研究论文8篇)，3篇论文入选期刊封面文章；申请国家发明专利5项，其中2项获授权；获黑龙江省科学技术一等奖1项(排名6)。