零价铁PRB体系中生成的结合态Fe(II)还原放射性核素的作用机制

The zero valent iron-based permeable reactive barrier (ZVI-PRB) can be used to effectively treat radionuclides in groundwater with high toxicity and mobility, long half-life. Previous studies show that the Fe(II) produced during the reaction can be adsorbed on the iron corrosion products and clay minerals coexisted in the groundwater to form bearing Fe(II) with reduction capacity, increasing the reduction efficiency of radionuclides. A great attention has been paid to the reaction performance of ZVI and iron corrosion products in previous work, however, the interaction mechanism of bearing Fe(II) produced during ZVI-PRB reaction in the removal of contaminants is lack of concern. Therefore, this project aims to investigate the effect of coexisting component and pH on the reduction of radionuclides by ZVI-PRB in simulated groundwater. The composition, structure, crystal and morphology of iron corrosion products will be studied by the combination of XRD, SEM and XPS. The distribution, binding sites, speciation and coordination structure of Fe(II) on iron corrosion products and clay minerals will be investigated by the online analysis using synchrotron radiation technology (X-ray absorption fine-structure (XAFS), soft X-ray scanning transmission microscope (STXM)). The interaction mechanism of bearing Fe(II), formed during the reaction of ZVI-PRB, in the reduction of radionuclides will be revealed from the molecular level. The results of this project will provide theoretical guidance for the in situ remediation of radioactive contamination of groundwater.

零价铁PRB可以有效处理地下水中毒性大、流动性强、半衰期长的放射性核素，研究表明反应中产生的亚铁可吸附在铁腐蚀产物和共存粘土上形成具有还原活性的结合态Fe(II)，可提高对放射性核素的还原率。已有的研究主要关注ZVI和还原性铁腐蚀产物的反应性能，而对反应过程中生成的结合态Fe(II)在污染物去除中的作用机制缺乏研究。本课题拟通过考察地下水中常见共存组分、不同pH对零价铁PRB还原放射性核素的影响，结合XRD、SEM、XPS等研究铁腐蚀产物的组成、结构、晶型和形貌，同步辐射谱学技术(X-射线吸收精细结构光谱(XAFS)、软X-射线扫描透射显微镜(STXM))原位、动态分析在不同条件下结合态Fe(II)在粘土和腐蚀产物上的分布、结合位点、赋存形态和配位结构等，从分子水平揭示零价铁PRB体系中结合态Fe(II)还原放射性核素的微观作用机制这一关键科学问题，为原位修复放射性污染地下水提供理论指导。

本项目主要将常规批实验静态法、柱实验动态法和同步辐射先进谱学技术(XAFS和STXM)相结合的研究方法，深入探讨了环境中共存的粘土矿物或纳米材料影响零价铁还原固定放射性核素的作用机制。经过四年的系统研究，在项目组成员的努力下，获得了一些有价值的研究结果。得到了一系列表面电荷性质与放射性核素电荷性质匹配的矿物或纳米材料，并与零价铁组成一系列复合活性材料强化零价铁的反应性能，提高了零价铁对放射性核素的处理效果，明确了介质pH及共存有机质等常见水化学条件对零价铁处理放射性核素的作用机制，剖析了反应前后放射性核素反应产物的微观结构以及反应过程中Fe(II)的赋存形态等变化规律，揭示了零价铁处理放射性核素的吸附-还原作用及粘土矿物等的影响机制，从分子水平和纳米尺度阐明零价铁材料固定放射性核素的微界面作用机理。此外，项目还探讨了FeS以及GO、g-C3N4和p-BN等载体修饰FeS复合材料对放射性核素的吸附-还原性能、微观作用机制及其环境去污应用潜力，用DFT理论计算方法研究了这些载体对放射性核素的吸附，初探了FeS复合材料对放射性核素去除能力的差异及不同环境条件下不同的作用机制。这些研究结果对从分子水平上揭示铁基纳米材料去除放射性核素的界面作用机理有重要的指导意义，为放射性核素进行危害评估以及对放射性污染地下水进行有效治理提供了有关的理论基础和数据支持。在本项目的支持下，以第一作者/通讯作者在Chemosphere, Applied Catalysis B: Environmental, Chemical Engineering Journal, Journal of Hazardous Materials, Environmental Science Nano, Environmental International等著名SCI期刊上发表15篇相关研究论文，包括第一标注论文８篇和第二标注论文6篇，15篇论文中包括中科院一区论文10篇，其中1篇论文被评为高被引论文，得到了国内外同行的关注和评价。