蒙脱土层间限域nZVI改性凝胶修复土壤重金属污染机理及其环境效应研究

Recently, the nZVI technology has been widely used as an effective method for remediation of heavy metal contaminated soil. At present, the preparation of highly uniformly stable nZVI active component supported on the stabilizing carrier is of great significance in highly efficient remediation of heavy metals in soil. The project aimed at constructing of nZVI confined in montmorillonite layers-modified hydrogel composite material (nZVI-MMT@RH) with the characteristics of high activity, antioxidation, slow and controlled release of iron ions and heavy metal long-term stability properties, which started from the preparation of nZVI confined in montmorillonite layers followed by immobilization of carboxyl modified biomass hydrogel with three-dimensional crosslinking structure. The synthesis of nZVI-MMT@RH not only can solve some problems of agglomeration, oxidization, low reactive activity and rate for original nZVI, but also can control the target release process of iron ions, which is favorable to the effective control of the soil contamination risk. The relation between the physical characters of nZVI-MMT@RH and the stability of heavy metals are expounded on in the research. Furthermore, the stabilization mechanism of heavy metal in the soil, and the environmental effects of soil remediated by nZVI-MMT@RH and its influence mechanism are discussed. Related research results provide the theoretical and practical basis for soil heavy metals pollution remediation.

近年来，纳米零价铁（nZVI）技术作为土壤重金属污染修复的一种有效方法得到广泛应用。目前，在稳定化载体上全面构建高分散稳定的nZVI活性组分，对于土壤重金属的高效修复具有重要意义。本研究从优化制备蒙脱土层间限域nZVI出发，以具有三维交联网络结构的羧基改性生物质水凝胶为功能载体，研究构建集高活性、抗氧化、铁离子靶向缓控释及重金属长效稳定性能于一体的蒙脱土层间限域nZVI改性凝胶（nZVI-MMT@RH），从根本上解决了单一nZVI易团聚氧化、反应活性低、反应速率慢的问题，而且可通过其对铁离子靶向释放过程的有效调控作用，实现土壤重金属污染风险的长效阻控。通过研究nZVI-MMT@RH微观结构与重金属稳定性能之间的内在规律，深入探讨其对土壤重金属的稳定化机理，系统揭示nZVI-MMT@RH修复土壤的环境效应及其影响机理，以期为该技术在重金属污染土壤修复中的推广提供理论依据和实践基础。

目前，纳米零价铁（nFe0）技术作为环境污染修复的一种有效方法得到广泛应用。本研究针对现有nFe0修复技术存在的不足，分别通过水凝胶稳定化、蒙脱土层间限域、双金属修饰、硫化改性以及铁碳复合体系构建等改性方法制备了一系列具有优异抗氧化性、反应活性和速率、使用寿命的nFe0基复合改性材料，用于环境重金属及有机污染修复研究。主要研究内容如下：（1）制备了纤维素水凝胶包覆nFe0，并以此为前驱体分别采用蒙脱土层间限域和零价铜修饰等方法制备了一系列改性复合材料。通过调控材料制备条件，探究其对重金属Cr(VI)的吸附-还原能力，考察材料微观结构与Cr(VI)去除性能之间的构效关系。结果表明，纤维素水凝胶有效避免了nFe0的团聚，蒙脱土颗粒可与铁表面形成“微反应器”促进对Cr(VI)的吸附还原，而双金属体系则可通过原电池作用实现电子的传递，促进反应进行，几种改性复合材料对Cr(VI)的去除率可达到90~97%。（2）通过调控载体以及改性介质类型，合成了一系列具有不同形貌结构的稳定化三维nFe0改性复合材料，考察不同操作条件对其活化过硫酸盐（PMS）去除Cr(VI)以及对硝基苯酚（PNP）的影响，并对其反应过程进行跟踪监测，研究材料与污染物的界面反应过程，深入探讨其污染物去除机理。结果显示，上述复合材料可在增强Cr(VI)去除效率的同时有效降解PNP。Fe2+通过促进PMS活化产生SO4∙-以去除PNP，而PNP降解的中间产物还可进一步促进Cr(VI)还原为Cr(III)，从而实现复合污染的协同去除。（3）将上述三维nFe0改性复合材料用于土壤重金属-有机物复合污染修复研究，通过静态实验获得不同材料在土壤介质中污染物去除的最佳处理条件，通过土柱模型考察材料对污染物的去除行为和反应过程中污染物在土壤中的迁移情况，并对其土壤污染修复性能及其环境效应影响进行综合评价。结果发现，修复后土壤的重金属浸出浓度较低，Cr主要以稳定的有机结合态和残渣态存在。所得结果为进一步开发相关高效修复技术提供理论依据和实践基础。