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楼主  发表于: 2021-04-21 09:30

 零价铁类芬顿体系氧化降解有机物的研究进展

地下水是水资源的重要组成部分,也是重要的饮用水水源之一。然而,随着社会的快速发展,人类生活品质的不断提高,地表以及地下水资源的污染已经日益严重。我国90%的城市地下水均受到不同程度的污染,其中60%地下水已受到严重污染。

纳米零价铁(Nanoscalezero-valentiron,nZVI)是一种绿色原位的新兴环境友好型材料。多年来研究表明,nZVI对水中重金属、有机氯化物等均有较高的去除效果,作为环境纳米材料在地下水污染修复领域中已被广泛应用。nZVI通常通过吸附、离子交换、氧化还原、共沉淀、络合等作用去除污染物质。在汉斯出版社《地球科学前沿》期刊中,有学者主要以有机物的去除效果为评价指标,总结了零价铁类芬顿体系降解水中有机物方面取得的研究进展,期望为后续相关研究及地下水污染修复的工程应用提供参考与依据。

ZVI的氧化作用是在学者研究其对三氯乙稀(TCE)降解时首先发现。在有O2存在时,ZVI表面会很快形成含有亚铁和三价铁离子氧化物的壳结构,从而降低其还原能力,这种现象原本被认为不利于ZVI的应用。然而研究ZVI降解TCE的结果表明,有氧体系的降解速率常数反而高于无氧条件,由此可判断出有氧条件下,ZVI/O2体系可形成一定量活性氧化物质,在氧化基础上将一些无法还原的污染物去除。后续一系列研究建立了ZVI/O2体系均证实了ZVI可通过氧化作用去除有机物。

ZVI/O2体系中的活性氧化物形成途径可能为两种。途径一ZVI通过双电子传输和氧气反应形成活性氧化物,而后逐步生成H2O2。途径二亚铁离子可以和O2反应产生单电子传输反应,从而生成H2O2。

由于ZVI在有氧条件下可产生活性氧化物,扩展了ZVI的应用领域,学者们陆续开始研究ZVI参与芬顿反应的可行性,并发现ZVI可作为传统芬顿反应的铁源,构成类芬顿体系,实现对目标有机污染物的有效去除。综合国内外针对ZVI/H2O2体系研究的汇总可知,ZVI/H2O2体系对在传统净水工艺中难降解有机物均有较高去除效果,但ZVI投加量偏高,pH值的有效范围也多集中在强酸范围,对工艺的推广尤其是针对地下水污染物去除应用有一定的局限性。

ZVI作为芬顿反应铁源形成ZVI/H2O2体系已经得到了一定的应用。为更好的适应地下水环境,一些学者开始选择粒径更小的nZVI进行芬顿反应。对比传统材料可知,nZVI粒径较小(通常为1~100nm),比表面积较大,吸附性和反应活性较高。综合nZVI/H2O2体系对有机物的去除条件可知,反应体系在强酸与弱酸条件下均可实现对有机污染物的高效降解,对比ZVI/H2O2体系的pH适用范围有明显扩大,同时由于nZVI的活性更强故其投加量也明显降低。

利用ZVI氧化作用去除有机污染物由最初的有氧条件被发现,到结合机理优化形成ZVI/H2O2的类芬顿体系,再到更具活性的nZVI替代ZVI的nZVI/H2O2类芬顿体系,实现了去除效果提升、pH适用范围增加,以及药剂投加量减少三个过程。

基于零价铁的类芬顿体系对有机物具有较好的去除效果,并且在一定程度上克服了传统芬顿反应pH适应范围窄、铁盐和H2O2的药剂投加量较大等缺点。后续研究需进一步分析零价铁类芬顿体系中nZVI和H2O2的投加量情况,提高nZVI及H2O2的利用效率,从而进一步降低成本,便于今后规模化应用;加强nZVI表面的微观动力学、界面效应以及氧化还原协同效应的研究,从而更清晰地掌握nZVI/H2O2体系降解污染物的作用机理。
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