炭基零价铁活化过硫酸盐降解土壤苯并芘的效能研究

来源 :东北农业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:XA1093815462
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随着社会工业化的不断发展,由人类活动产生的大量苯并[a]芘(BaP),通过多种途径进入到土壤中,使土壤有机污染日益严重。BaP具有较高的化学稳定性、难降解等特点,能够在环境介质中蓄积并长距离迁移,进而通过呼吸系统、消化系统、皮肤接触等途径进入人体器官组织,对人类健康带来严重威胁,因此探索土壤BaP的有效处置方法迫在眉睫。过硫酸盐高级氧化技术在有机污染物降解方面展现巨大的优势,因此本研究采用高铁酸钾与玉米秸秆生物质混合研磨,通过一步碳热还原法合成了具有石墨烯纳米壳包裹零价铁纳米颗粒(nZVI)独特结构的生物炭耦合零价铁复合材料(nZVI@BC800),并将其用于土壤BaP的降解研究。在此基础上,重点研究nZVI@BC800活化过二硫酸盐(PS)氧化降解BaP的效果与机制,并考察了nZVI@BC800/PS体系修复BaP污染土壤过程中对土壤微生物群落结构的影响。主要研究结果概括如下:(1)通过SEM、TEM、XRD等表征技术对nZVI@BC800的表面官能团和形貌特征进行分析。SEM结果表明:nZVI@BC800具有多孔结构且负载处理可使nZVI颗粒均匀分散在BC表面;TEM、XRD和Raman表明:nZVI@BC800具有以nZVI颗粒为核心,多层石墨碳层为壳构成的核壳结构,可以有效防止nZVI的快速钝化和团聚;此外,表面积和孔径分析得知,nZVI@BC800的比表面积和孔体积分别为287.08 m~2·g-1和0.176 cm~3·g-1,主要由介孔组成。(2)通过批量实验探究了nZVI@BC800/PS体系对土壤BaP的降解效果,结果表明:催化剂投加量、过硫酸盐浓度、土水比、土壤p H值、土壤无机阴离子和有机质都会对nZVI@BC800/PS体系降解BaP的效果产生影响。当nZVI@BC800投加量为土壤质量的1%(1wt%),PS浓度为0.5 g/L,土水比为1:4时,土壤中BaP在60 min内的降解率高达73.95%。(3)探究了nZVI@BC800/PS体系对土壤BaP的降解机理。通过自由基猝灭实验和电子自旋共振技术鉴定了BaP在nZVI@BC800/PS体系中氧化降解过程起主要作用的活性物种,结果说明硫酸根自由基(SO4?-)、羟基自由基(?OH)和单线态氧(~1O2)均参与BaP的氧化降解,且~1O2是该体系的主要活性物种。此外,电化学分析结果表明nZVI@BC800材料具有良好的电子转移能力;XPS分析结果表明nZVI@BC800表面的C=O可活化PS产生~1O2攻击BaP,且Fe~0将Fe3+还原为Fe2+,促进了催化剂表面Fe2+/Fe3+循环。根据GC-MS的结果推测出,BaP在nZVI@BC800/PS体系中经氧化、开环、脱羧和碳链裂解等过程后,最终矿化为CO2和H2O。(4)探究了nZVI@BC800/PS体系修复BaP污染土壤过程微生物群落结构的变化,结果表明:nZVI@BC800/PS体系可以有效减轻BaP的生物毒性,提高功能性菌种在群落中的相对丰度和作用。nZVI@BC800的添加促进了芽孢杆菌属(Bacillus)和马赛菌属(Massilia)等抗逆境胁迫的多环芳烃降解菌增长,使其持续性修复污染土壤,进一步提高功能性细菌在多环芳烃污染土壤中的修复作用。
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