《納米鐵殼層物種反應活性及原位礦物轉化同步除砷機制》是依託同濟大學，由吳德禮擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：納米鐵殼層物種反應活性及原位礦物轉化同步除砷機制
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：吳德禮
- 依託單位：同濟大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
我國地下水等地質環境中砷污染形勢嚴峻，納米鐵由於突出的反應活性在地下水修復技術中受到廣泛關注。最新的核殼結構理論揭示納米鐵殼層物種是其除砷關鍵。本項目從殼層物種反應活性出發，通過可控方法製備具有大容量除砷能力的類似納米鐵殼層物種(NFHOs)用於地下水除砷，克服納米鐵和傳統鐵氧物的不足，是一項嶄新的探索和嘗試。通過研究NFHOs的最佳化製備與反應活性，礦物原位轉化除砷機制，同步除砷影響因子與動力學模型，砷的穩定與釋放機制等關鍵科學問題，提出礦物原位轉化同步除砷固砷理論機制。利用TSEM-XEDS等現代先進分析手段，從原子尺度上分析As在NFHOs表面的結合形態、微區分布，揭示NFHOs除砷的微觀作用機制。闡明NFHOs在水文地質條件下的礦物轉化過程和演變規律，揭示NFHOs和As的地球化學行為。項目研究有助於推動地質環境中砷污染控制技術理論的突破和創新，促進環境科學與地球科學的交叉研究。
結題摘要
納米鐵殼層物種(NFHOs)因其獨特的核殼結構、反應活性成為一種潛在的可替代納米零價鐵和傳統鐵氧物的除砷材料。本項目主要研究新型納米鐵殼層物種的最佳化製備和反應活性，揭示除砷過程中礦物原位轉化機理，闡明砷在NFHOs作用下的遷移轉化機制，提出礦物原位轉化除砷固砷理論。探索新型納米鐵殼層物種的最佳化製備合成方法，通過XRD，SEM，XPS等分析手段對新型納米鐵殼層物種進行形貌表征和元素價態分析，研究有氧、無氧條件下的除砷性能，發現有氧條件下砷進入到礦物晶格結構中，使得納米鐵殼層物種礦物轉化的產物主要是纖鐵礦，且有氧環境比無氧環境更有利於NFHOs吸附As(III)/As(V)反應的進行，製備的新型NFHOs的除砷容量遠高於傳統納米零價鐵及鐵氧化物；深入研究了新型NFHOs礦物轉化過程中As(III)的遷移和轉化途徑，發現有氧環境中As(V)主要是與礦物發生內層專性吸附，形成單齒絡合物，而As(III)的去除機理包括外層表面吸附絡合、共沉澱以及晶格取代，且深入分析了不同反應途徑在新型NFHOs礦物轉化除砷過程所占的比重；製備碳酸型NFHOs，研究除砷過程中其形貌、結構變化，揭示As(III)在其作用下的去除機理。發現As(III)在碳酸型NFHOs作用下的去除符合Elovich動力學方程，說明反應過程是複雜的非均相擴散過程。且無氧條件下碳酸型NFHOs除砷產物為穩定的副砷鐵礦，是一種良好的含砷礦物；探究了碳酸型NFHOs除砷過程中As(III)的氧化機制，發現As(III)氧化效率受到碳酸型NFHOs投加量、初始pH值、溶解氧濃度的影響，抑制劑實驗表明在為pH=5-9的範圍內，主要氧化性物種為過氧化氫和超氧自由基，在中酸性條件下氧化As(III)的物種為Fe(IV)和表面結合態的羥基自由基，而鹼性條件下為Fe(IV)，活性氧物種的來源主要為絡合在鐵氧化物表面的Fe(II)，且發現KI的加入會促進As(III)的氧化效率，可能是由於其促進了表面的Fe(III)/Fe(II)循環，從而提升了表面絡合態Fe(II)的利用率，因此，揭示了As(III)在碳酸型NFHOs表面的氧化吸附行為；研究了硫改性納米零價鐵的除砷性能及機理，分析表征了除砷前後硫化納米零價鐵的形貌、價態，闡明不同條件下硫化納米零價鐵的活化分子氧及As(III)氧化效率，理清各活性物種對於As(III)氧化的貢獻。
