地下水中二恶烷的纳米四氧化三铁/生物炭活化过硫酸盐高级氧化修复机理研究

1,4-Dioxane was commonly used as a stabilizing agent in industry, which makes it to be one of the most ubiquitous pollutants in groundwater. Using 1,4-dioxane as a target contaminant, this proposal aims to study its hydrogeochemical behavours and utilize a nano-Fe3O4/biochar activated persulfate, that produces sulfate free radical (SO4o?), to effetively degrade 1,4-dioxane in groundwater. Firstly biochar is produced through pyrolyzing of biomass (rice husk,corn straw) under an anaerobic condition. Then the nano-Fe3O4/biochar activated persulfate is formed within suitable dispersants or solvents, where size-controlled nano-Fe3O4 is synthesized from ferrous salts and simutaneously grown on biochar surfaces.1,4-dioxane transformation mechanism, degradation intermediates and kinetics will be studied in detail. The successful implementation of the proposal will provide theoretical foundation for an effetive remediation of 1,4-dioxane in groundwater.

二恶烷（1,4-dioxane）是工业上常用的有机溶剂稳定剂，也是地下水中广泛存在的污染物之一。本项目拟以二恶烷为目标污染物，研究其在地下水环境中的地球化学行为特征；利用纳米Fe3O4/生物炭活化过硫酸盐高级氧化体系产生硫酸根自由基（SO4o?），可实现地下水中二恶烷的高效快速修复。选择生物废弃物（稻壳、玉米秸秆等），在厌氧条件下热解制备生物炭；在合适的溶剂或分散剂中制备粒径可控的纳米Fe3O4颗粒，并使其生长于生物炭表面，形成纳米Fe3O4/生物炭活化剂。探讨该活化剂对过硫酸盐的活化增强效应及机理，阐明二恶烷在纳米Fe3O4/生物炭-过硫酸盐体系中的降解产物、转化机理以及动力学规律。本项目的研究成果将对地下水中二恶烷污染的高效修复提供理论依据。

二恶烷为地下水中新型污染物，是一种潜在B2类致癌物质。针对地下水中二恶烷溶性高、迁移性强和生物难降解的特点，该项目采用纳米四氧化三铁/生物炭复合材料活化过硫酸盐这一新型高级氧化技术对地下水中二恶烷进行降解。本项目首先通过反向共沉淀方法制备了高活性纳米四氧化三铁/生物炭复合材料，并通过SEM、XRD、FTIR、Raman和XPS等技术对复合材料进行了表征，结果表明，纳米四氧化三铁均匀负载于生物炭表面，其团聚性得到了显著改善。动力学批次实验结果表明，中性条件下，二恶烷在纳米四氧化三铁/生物炭-过硫酸体系中的降解率高达98.0%。其次，通过EPR淬灭实验对纳米四氧化三铁/生物炭-过硫酸盐体系的自由基种类进行了鉴定，结果显示，反应体系在酸性和中性条件下，主要活性自由基为硫酸根自由基，而在碱性条件下为羟基自由基。此外，XPS研究结果揭示，复合材料主要通过Fe(II)向过硫酸盐传递电子激活过硫酸盐产生强氧化性自由基，且生物炭作为电子穿梭体，不仅具有传导电子的作用，其表面的缺陷结构和羰基等官能团也具有活化过硫酸盐的性能。再次，通过GC-MS对二恶烷在该体系下的降解中间产物进行了鉴定，其中间产物主要有乙酸、甲酸、草酸、乙醇酸以及二乙二醇醚。由此推测二恶烷在纳米四氧化三铁/生物炭-过硫酸盐体系中的降解路径主要有三种。最后，通过二维柱实验模拟了二恶烷在地下水中迁移转化情况，实验结果表明，二恶烷在地下水环境中迁移性较强，生物炭的添加能有效降低二恶烷的迁移速率，降低二恶烷的环境风险。此外，在材料填充柱中同时添加过硫酸盐后，二恶烷降解效果显著，迁出率显著降低。该项目研发了一套基于纳米四氧化三铁/生物炭复合材料活化过硫酸盐降解二恶烷的新技术，并模拟了地下水环境中二恶烷在该体系中的降解情况。研究成果为二恶烷污染地下水实际工程修复提供了科学依据。