廣州地化所在利用單質(zhì)硫硫化納米零價(jià)鐵研究方面取得新進(jìn)展
納米零價(jià)鐵(nZVI)作為一種極具應(yīng)用前景的地下水和土壤修復(fù)環(huán)境納米材料,在處理一系列有毒和有害的環(huán)境污染物,特別是鹵代持久性有機(jī)污染物方面具有巨大的潛力。然而,nZVI與O2、H2O/H+等自然氧化物種的反應(yīng)會(huì)加速nZVI的表面鈍化,降低其對(duì)目標(biāo)污染物的處理能力,阻礙nZVI在污染場(chǎng)地修復(fù)中的進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。
最近的研究發(fā)現(xiàn)利用還原性硫化物硫化nZVI能抑制nZVI表面的析氫反應(yīng)(H2O與Fe0反應(yīng)形成H2),增加nZVI的電子利用效率和對(duì)目標(biāo)污染物的選擇性。目前,nZVI硫化的傳統(tǒng)方法主要是利用不穩(wěn)定的還原性硫化物如連二亞硫酸鈉(Na2S2O4)或硫化鈉(Na2S)在水溶液中進(jìn)行硫化。這種硫化方法存在一定的局限性,包括(1)大量Fe0被高價(jià)硫物種(如S2O42-)氧化,導(dǎo)致活性Fe0和硫化試劑的消耗;(2)硫化過程中會(huì)釋放出有毒有害氣體H2S;(3)活性Fe0與水發(fā)生反應(yīng),降低了nZVI的反應(yīng)活性。因此,尋求一種安全穩(wěn)定的硫化劑和開發(fā)環(huán)境友好的硫化技術(shù),對(duì)硫化納米零價(jià)鐵(S-nZVI)在環(huán)境修復(fù)中的應(yīng)用具有重要的意義。
中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所博士研究生王賀麗在導(dǎo)師彭平安研究員和鐘音副研究員的指導(dǎo)下,選擇了安全、穩(wěn)定和價(jià)格低廉的單質(zhì)硫(S0)與nZVI在乙醇體系下進(jìn)行硫化反應(yīng),并通過X-射線光電子能譜、透射電子顯微鏡、析氫實(shí)驗(yàn)、電化學(xué)實(shí)驗(yàn)等一系列手段對(duì)獲得的S-nZVIS進(jìn)行表征分析。結(jié)果表明S0硫化的nZVI表面形成了較均勻的FeS/FeS2層(圖1),該FeS/FeS2層不僅減緩了nZVI的析氫反應(yīng),還增強(qiáng)了表面電子傳輸速率(圖2)。與nZVI和其他硫化劑硫化的納米零價(jià)鐵(S-nZVINa2S和S-nZVINa2S2O4)相比(圖3 A-C),S-nZVIS還原轉(zhuǎn)化潛在持久性有機(jī)污染物四溴雙酚A (tetrabromobisphenol A, TBBPA)及其脫溴產(chǎn)物的速率更快。此外,S-nZVIS可應(yīng)用于受TBBPA污染的環(huán)境水樣(包括河水、地下水、自來水)的處理,還原轉(zhuǎn)化TBBPA的速率顯著高于nZVI(圖3D)??傊?,該方法規(guī)避了傳統(tǒng)還原性硫化物消耗活性Fe0及釋放有毒氣體的應(yīng)用弊端,減少了Fe0與水的反應(yīng),提高了nZVI對(duì)污染物的反應(yīng)活性,是一種簡(jiǎn)單、安全、廉價(jià)和高效的硫化方法,為S-nZVI在污染場(chǎng)地修復(fù)中的應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

圖1不同硫鐵摩爾比下S-nZVIS XPS S 2p窄區(qū)光譜圖(A)、S形態(tài)分布圖(B)、XPS Fe 2p窄區(qū)光譜圖(C)和Fe形態(tài)分布圖(D)

圖2不同硫鐵摩爾比條件下S-nZVIS修飾玻碳電極的Tafel極化曲線圖(A)和循環(huán)伏安曲線圖(B)

圖3 S-nZVIS (A)、S-nZVINa2S2O4(B)和S-nZVINa2S(C)對(duì)TBBPA去除的動(dòng)力學(xué)過程及S-nZVIS處理受TBBPA污染的環(huán)境水樣(D)

圖4 Enironmental Science: Processes & Impacts Front cover (outside)
該研究成果近期正式發(fā)表在國(guó)際期刊Enironmental Science: Processes & Impacts上,并被選為主封面文章(outside front cover,圖4)。該研究獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金(41773132、42077285)、廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2017B030314057、2019B121205006)和有機(jī)地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(SKLOG-201910、SKLOG2020-4)等項(xiàng)目的資助。
Wang Heli, Zhong Yin, Zhu Xifen, Li Dan, Deng Yirong, Huang Weilin and Peng Ping'an. Enhanced tetrabromobisphenol A debromination by nanoscale zero valent iron particles sulfidated with S0 dissolved in ethanol. Environ. Sci.: Processes Impacts, 2021, 23, 86-97, DOI: 10.1039/d0em00375a.
論文鏈接:https://doi.org/10.1039/D0EM00375A
(有機(jī)地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室供稿)

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