包覆型纳米零价铁微控释放过程及固铀机理研究

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纳米零价铁(Nanoscale Zero-Valent Iron,nZVI)因粒径小、还原速率快及环境友好等优势,被认为是一种具有潜在应用前景的地下水铀污染原位修复材料。但传统方法制备的nZVI易氧化、团聚,并且其反应活性因在修复或运移过程中与非靶向物质(如氧和水)发生反应而迅速丧失,使得迁移性和修复效率变差,限制了其在实际中的应用。在nZVI颗粒表面包覆可溶性壳层材料,形成具有保护层的核壳结构,以缓解地下水中nZVI颗粒的氧化团聚和快速的水腐蚀问题,是长期保持其高效除铀性能的有效策略。然而,在地下水原位修复中,包覆型nZVI还原活性的释放过程和速率控制参数,以及铀的固定机理尚未被揭示。这对于准确预测包覆型nZVI的腐蚀行为和其在地下水修复中的长期有效性至关重要。本研究采用一步表面沉积法制备了具有核壳结构的Mg(OH)2包覆nZVI(nZVI@Mg(OH)2)材料。在模拟地下水环境中,测定了Mg(OH)2壳的溶蚀过程和Fe(0)内核的释放过程。结合nZVI@Mg(OH)2与U(VI)反应前后的形貌、物相组成和元素价态分布等表征,提出了nZVI@Mg(OH)2缓释过程的调控方法及固铀机理。研究获得如下结论:(1)利用制备的纳米颗粒研究了模拟水溶液中包壳的溶蚀过程及nZVI内核的释放过程,结果表明,将nZVI封装在可溶性的Mg(OH)2壳内可以有效减缓金属Fe(0)的水腐蚀氧化速率。初始溶液的酸度和环境中的氧含量对壳层的溶蚀速率有很大的影响。在初始p H=5.0时,包覆的nZVI具有较高的还原活性,氧化还原电位(Oxidation Reduction Potential,ORP)是初始p H=3.0时的1.3倍,持续时间可延长4.5倍以上。此外,厌氧环境将进一步增强nZVI的反应活性,延长纳米颗粒的使用寿命。(2)通过单因素实验评估了nZVI@Mg(OH)2添加量、温度和厌氧条件对其固铀效果的影响,结合准一级动力学模型拟合反应的动力学常数,确定反应速率的控制因素,结果表明,在p H=5.0、10.0 mg/L U(VI)条件下,150.0 mg/L的nZVI@Mg(OH)2(理论含100.0 mg/L Fe(0))在20 min内可去除98.7%的U(VI),而同等条件下未包覆的nZVI对铀的最大去除率为95.7%。高温和厌氧条件均可以提升nZVI和nZVI@Mg(OH)2对U(VI)的去除性能,但是厌氧条件可以显著地增强在含铀溶液中的还原活性,并延长其使用寿命。(3)通过对反应前后nZVI@Mg(OH)2的微观形貌、物相组成和表面元素价态分布等表征研究了纳米颗粒对U(VI)的去除机理,研究表明,Mg(OH)2包壳与H+反应溶蚀后,Fe(0)核通过吸附(44.10%)和还原(55.90%)作用快速地去除水溶液中的U(VI)。最终,铀被固定在反应后nZVI@Mg(OH)2的氧化表层。本研究为提高nZVI的分散性能和实现其活性的可控释放提供了有效途径,使其在地下水修复中能够保持长期的强反应活性。
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