核壳化炭基零价铁制备及其活化过硫酸盐去除地下水苯酚机理研究

Phenols pollution is a serious threat to groundwater resources and the safety of drinking water. To ensure the utilization of groundwater, a effective remediation technology to remove nitrobenzene is needed urgently. It has proved that the persulfate activated by zero-valent iron (ZVI) could remediate organic polluted groundwater efficiently. However, the utilization efficiency of ZVI is fairly low due to the consumption of electrons by non-target substances (H2O, etc.), the formation of secondary minerals and the low efficiency of pollution capture in situ remediation of groundwater. In the proposed research project, we aimed to tackle the problem by mesoporous carbon embedded ZVI and reduction-modified carbon shell surface functional groups. We hope to obtain modified core-shell carbon-ZVI materials (Fe0@HC) with high adsorption performance for activation persulfate degradation of phenol in groundwater. The adsorption, redox and electron transfer processes of phenol in the oxidation system will be systematically studied to clarify the structure activity relationships of Fe0@HC for the removal of pollutants. It will Further insight into the interception efficiency of Fe0@HC with pollutants in groundwater. In addition, It will help to reveal the internal mechanism of carbon shell to enhance the performance of ZVI activation PS to remove organic pollution in groundwater environment. This study could provide a theoretical supports for the remediation of organics contaminated groundwater, and improve the utilization efficiency of ZVI electron, which benefit to the safety of groundwater and drinking water.

地下水酚类污染严重威胁水资源及饮用水安全，开展高效地下水原位修复技术研究尤为重要和迫切。目前，零价铁活化过硫酸盐（PS）被用于原位修复地下水有机污染，但因实际应用中非目标物（水分子等）消耗电子、次生矿物生成以及污染捕获效率低下等问题，降低了零价铁的利用效率。为了提高零价铁实际应用效率，本项目拟采用介孔碳包埋零价铁，以及还原改性炭壳表面官能团，制备具有高吸附性能的改性核壳化炭-零价铁材料（Fe0@HC），提高材料表面对苯酚和过硫酸根吸附，形成局部高浓度区，促进有效电子传递，并深入、系统的研究Fe0@HC活化PS降解地下水中苯酚的电子利用效率及作用机理，揭示炭层表面结构特征与活化性能间构效关系，洞悉Fe0@HC对动态环境下苯酚的捕获效率，阐明地下水环境下炭壳增强零价铁活化PS去除污染的内在机制，为发展零价铁活化PS原位修复地下水有机污染提供科学理论依据和方法支持，利于地下水饮用水安全保障。

近些年，零价铁活化过硫酸盐被用于原位修复地下水有机污染，但零价铁无法与目标物充分接触，致使水分子和溶解氧等非目标污染物不断消耗零价铁，生成的大量次生矿物沉积覆盖在零价铁表面，降低电子利用效率，限制了零价铁活化过硫酸盐实际应用。为了提高零价铁实际应用效率，本项目利用碳材料和零价铁的有机结合形成“炭壳铁核”的核壳化零价铁复合材料，揭示了复合材料炭壳存在有利于增强目标物的吸附，促进了零价铁电子有效转移，厘清了地下水环境下炭壳介导电子增强零价铁活化过硫酸盐去除有机污染的内在机制，同时吸附能力的提高有助于污染物捕获。主要研究内容与结论：（1）采用不同铁源、葡萄糖及尿素成功通过水热-高温热解还原制备的核壳化炭基零价铁复合材料，并通过材料的微观结构变化获得800℃的N掺杂的复合材料，其活化过硫酸盐20min苯酚降解率高达100%；（2）通过反应前后材料的微观结构及活性物质（自由基及单线态氧等）差异，发现核壳化炭基零价铁强化过硫酸盐活化效能主要归因于炭壳存在改变原先零价铁表面吸附能力，且合理的包裹零价铁降低了Fe2+释放，防止过量还原性Fe2+自消耗，同时阐述了氮掺杂造成的缺陷能够加速Fe0与PS之间的电子传递，促进非自由基路径（1O2）生成；（3）通过地下水常见的阴离子和实际地下水对复合材料活化过硫酸盐去除有机物影响，发现除碳酸根和碳酸氢根对其抑制外，其余对体系影响较小，且在实际地下水中具备较好的应用效果；（4）基于介孔炭介导零价铁电子传递和富电子特点，本项目扩展研发了新型的核壳化硅钨酸化零价铁以及沼渣生物炭，硅钨酸壳层可以降低质子对零价铁反应，避免电子的无效损失，同时生物炭表面丰富的官能团及缺陷可有效活化过硫酸盐效率。综上，通过研究低成本、高效的核壳化零价铁复合材料，同时对深入理解零价铁界面调控促进电子传递过程具有重要意义，为实际地下水有机污染修复应用提供科学依据和新的修复策略。