功能化层状氢氧化铁的制备及其对有机氯溶剂的脱氯机制与调控

The iron based materials has been used as a reductant during the in-situ soil and groundwater remediation since it is costless and sustainable. In this study, the double layered iron hydroxide--- green rusts (GRs) will be selected as the iron based material and modified by the non-polar compounds for chlorinated ethene dehalogenation. Two basic problems are emphasized before the large scale application of GRs in this project: 1) optimize the GRs mass transfer in the aquifer by surface modification; 2) reveal the electron transfer mechanism and manipulate the dehalogenation process to enhance the rate and optimize the dehalogenation product distribution. The structure of GRs would be stabilized and the electron transfer would be enhanced by the surface modification of GRs, which would improve the overall chlorinated ehtene dehalogenation. This research is able to bring better understanding of the interface-reaction between the iron base material and pollutants, shedding light on the further application of GRs and related iron base materials in groundwater remediation.

层状氢氧化铁“绿锈”是具有极高还原活性的二价铁矿物，可作为我国有机氯溶剂污染地下水原位修复材料。本项目将采用聚苯胺、石墨烯、生物质炭等非极性化合物对 “绿锈”进行功能化改性，并将其用于对高毒致癌性的氯乙烯进行还原脱氯降解，侧重研究“绿锈”规模化应用之前尚存的两大基础问题：（1）研究由不同材料和不同条件制备的功能化“绿锈”在地下水环境中优化扩散和减少二价铁溶出的作用机制；（2）研究“绿锈”与氯乙烯之间的表界面电子传递机制及其对脱氯反应的影响。我们将利用非极性化合物上的硅酸根和磷酸根等常见铁离子配位体稳定“绿锈”的晶体结构，抑制结构型二价铁溶出问题并优化“绿锈”在含水层中的扩散；同时，利用非极性化合物的导电性，增强“绿锈”对有氯乙烯的电子传递效率及其选择性，调控降解路径，从而减少有毒副产物的生成；探索反应体系中表界面电子传递规律，优化应用条件，为氯乙烯污染地下水原位修复提供理论依据与技术支持。

我国有机氯溶剂污染地下水环境的形势十分严峻，亟需高效、经济、环保的技术对受污染场地进行修复。本项目针对一种新兴的环境友好型铁矿物“绿锈”进行功能化改性，利用表面活性剂、生物炭、聚合物等试剂调控绿锈的物理化学性能，以优化材料在土壤和地下水中的高效传质及其对污染物的去除效率。经过前期的筛选实验，本项目最终选择了骨炭、硅酸盐和阴离子表面活性剂对绿锈进行了不同形式的改性，使得功能化绿锈对难降解有机物三氯乙烯的快速去除，同时探索了同步去除常见重金属和有机污染物的可行性。我们首先利用不同热解温度下获得的骨炭与绿锈进行复合，深入研究了反应过程中三氯乙烯脱氯速率、脱氯产物以及材料的固相演化过程，初步建立复合材料的物化性质于脱氯效率的构效关系，深化对脱氯过程中的表界面反应的认识，为后续的绿色催化剂的设计提供了一种思路。同时我们进一步的筛选表面活性剂用于优化骨炭-绿锈复合材料在土壤和地下水中的传质效率，实验结果表明，率先将阴离子表面活性剂于骨炭进行预改性的方法可以有效的提高体系的脱氯效率。另外，我们探索了功能话绿锈同步去除重金属和难降解有机物的可行性，考察了硅酸盐稳定化绿锈同时去除地下水中六价铬和四氯化碳的反应过程，结果表明相比于传统的铁基材料，功能化绿锈不容易被六价铬钝化，能够持续释放氧化还原活性并对目标污染物进行有效去除，实现了较高的电子利用效率。本项目针对场地修复中的共性问题，对绿锈进行可行的功能化改性，进一步提高了反应体系的脱氯效率，同时为多污染物的同步去除和传质优化提供了重要的思路，为氯乙烯污染地下水原位修复提供理论依据与技术支持。基于以上研究，项目负责人以通讯作者在环境领域著名期刊Environmental Science &Technology Letter、Chemical Engineering Journal、Chemosphere、Science of the Total Environment、Applied Clay Science上发表SCI文章6篇，申请国家发明专利5项，PCT授权专利1项。