凝胶双壳包埋纳米零价铁-微生物耦合降解地下水中氯代脂肪烃的研究

As an efficient organic solvent degreasing, Chlorinated aliphatic hydrocarbons (CAHs)were widely used in chemistry，machinery, electronics, leather and dry cleaning. However, due to the inappropriate use and unorganized emissions, CAHs lead to soil and groundwater pollution, especially in the shallow groundwater in Yangtze river delta region where manufacturing was developed. It is great significant to research the materials, which are high efficient and green degradation of CAHs in the groundwater. In this study, we will select a typical CAHs contaminated shallow groundwater in Pudong district of Shanghai as an object. To develop aerogel double embedding n-ZVI material as the goal, which is high effective absorbable and degradable, safe and practical, feeling of water control, and CAHs can be targeted mass transferred. We use material science, environment, and microbiology etc. as multidisciplinary study method. The key breakthrough is aerogel double embedding n-ZVI material preparation technology and mechanism of contaminants targeted mass transfer into the nanometer materials. To illustrate the migration, transformation, distribution, accumulation of interface and degradation of the pollutants in the groundwater. To reveal the resistance control mechanism and degradation mechanism of functional nanomaterial for CAHs. To provide new research theory of the environmental function nanomaterial and technical support for the groundwater organic pollution resistance control and remediation.

氯代脂肪烃（CAHs）作为高效的工业溶剂和清洗剂，广泛应用于化工、机械、电子、皮革和干洗行业，由于其使用或处置不当，造成了大量场地土壤和地下水污染，尤其是地下水埋深较浅的长三角地区，CAHs造成的污染更为严重。研究开发针对地下水中CAHs高效、绿色的降解功能材料具有重要意义。本课题选取地下水埋深较浅的上海浦东典型CAHs污染场地为研究对象，以开发具有高效吸附和降解性能，实用、安全，同时兼有亲疏水可控的、CAHs可靶向传质的高强度凝胶双壳包埋纳米零价铁材料为目标，通过采用材料学、环境学和微生物学等多学科交叉的研究方法，重点突破凝胶双壳包埋纳米铁材料的制备技术及目标污染物靶向传质进入纳米材料的机制，阐明污染物在地下水中迁移、转化、分配、积累的界面过程和降解过程，揭示功能纳米材料对CAHs的阻控机制与降解机理，为地下水有机污染阻控与修复提供环境功能新纳米材料的理论研究与技术支撑。

利用两亲性嵌段共聚物（PS-b-PAA）包埋纳米零价铁（NZVI），成功制备两亲性核壳纳米铁材料（CDSN），并对三氯乙烯（TCE）污染地下水进行了模拟修复。结果表明，在使用量:TCE含量均为10:1的条件下，经过360 min的处理后，暴露于空气中30 d后CDSN的TCE去除率为92.6%，而NZVI处理组仅为61.5%，表明CDSN具有较强的抗氧化性。特别地，为了了解TCE的整个传质过程，针对壳层吸附和NZVI还原降解两部分进行了总去除过程研究。结果表明，初始pH（8.5）相同条件下，CDSN对TCE的吸附量是NZVI的1.5~2倍。重要的是，从反应开始到结束，CDSN可以保持固定的反应性，TCE去除率约94.8%。NZVI在反应前180 minTCE去除率较高，而后失去还原性，最终去除率为89%。体系pH=3.5时，质子化CDSN的选择性吸附增强，提高了TCE去除率，而此时NZVI的TCE去除率比pH=8.5时还要差。为避免共存金属对核壳材料还原性能影响、提高复合污染地下水中1,1,1-TCA与Cr（VI）的同步去除效率，使用PS-b-PAA包埋纳米Ni/Fe双金属（CDSD，平均尺寸约50 nm）。在1.0 g/L Fe/Ni（Ni/Fe质量比为2%）和0.5 g/L PAA-b-PS制备的CDSD，脱氯反应在240 min后达到平衡， 1,1,1-TCA（200 mg/L）去除效率可达87.5%，且反应不受常见无机阴离子（NO3-，HCO3-和SO42-）影响。但是，腐殖酸（HA）对1,1,1-TCA的还原降解有抑制作用。CDSD具有优越的迁移性和抗氧化性能。25℃、Cr（VI）浓度30 mg/L时，0.4 g/L CDSD对Cr（VI）最大还原率达到99.8%；酸性环境有利于Cr（VI）还原，PAA-b-PS的羧酸自由基（COOH）可创造适宜酸性环境，加速Cr（VI）还原。反应60 min后，暴露在空气中60 d的CDSD的Cr（VI）去除效率仍超过90%；反应100 min后，对Cr（VI）的去除率接近100%。总的来说，本研究所获取得到的核壳包埋纳米金属材料具有较高的还原反应活性与抗团聚、抗氧化稳定性，可用于氯代脂肪烃（CAHs）/ CAHs-重金属复合污染地下水的修复治理实践。