【摘 要】
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纳米零价铁(nZVI)被广泛认为是一种极具前景的地下水还原修复材料。然而,在实地应用过程中,由于nZVI具有较高的表面能和磁性,合成的nZVI颗粒非常容易团聚成微米以上的链状或簇状的聚集体,从而失去流动性和反应活性。因此,一般需要对nZVI进行稳定化改性来增强其在多孔介质中的流动性。近年来研究表明,通过硫化在nZVI表面形成FeSx相,可以增强nZVI的反应活性,但其对nZVI在多孔介质中的传递和
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纳米零价铁(nZVI)被广泛认为是一种极具前景的地下水还原修复材料。然而,在实地应用过程中,由于nZVI具有较高的表面能和磁性,合成的nZVI颗粒非常容易团聚成微米以上的链状或簇状的聚集体,从而失去流动性和反应活性。因此,一般需要对nZVI进行稳定化改性来增强其在多孔介质中的流动性。近年来研究表明,通过硫化在nZVI表面形成FeSx相,可以增强nZVI的反应活性,但其对nZVI在多孔介质中的传递和归趋的影响尚未见报道。本研究采用羧甲基纤维素钠(CMC)作为稳定剂、硫化钠为硫化剂制备高稳定性和高活性的稳定化-硫化纳米零价铁(CMC-S-nZVI)颗粒,并与CMC稳定的纳米零价铁(CMC-nZVI)进行对比,系统地研究硫化作用如何影响CMC-nZVI在各种地球化学条件下(Na+、K+、Ca2+、Mg2+和Al3+)的稳定性和在饱和多孔介质中的迁移性,并基于深层过滤理论和一维对流扩散模型,利用Hydrus-1D软件模拟和解释不同地球化学条件下纳米颗粒在砂柱中的穿透曲线(BTCs)。研究表明:(1)硫化后,CMC-S-nZVI和CMC-nZVI的zeta电位相当,但CMC-S-nZVI流体动力学直径更大。(2)通过稳定性实验发现,在相同的地球化学条件下,CMC-S-nZVI呈现出比CMC-nZVI更少的物理沉降和化学溶解,即硫化促进了nZVI的物理和化学稳定性。(3)柱穿透实验表明,在相同的地球化学条件下,CMC-S-nZVI和CMC-nZVI在饱和多孔介质中均有高的流动性,质量回收率分别达到57-100%和49-100%。然而,在绝大多数实验条件下,CMC-S-nZVI比CMC-nZVI具有更高的穿透曲线和质量回收率,显示出更强的迁移能力。(4)随着阳离子浓度和价态的增加,CMC-S-nZVI和CMC-nZVI在柱中的迁移能力下降,且Al3+对纳米颗粒传递的影响最为突出。(5)初始注入浓度和孔隙流速的增加提高了nZVI在砂柱中的迁移性。相比CMC-nZVI,CMC-S-nZVI受到离子强度和类型、初始注入浓度和孔隙流速的影响较小,因而在饱和多孔介质中显示出更高的迁移能力。模型计算表明,在相同实验条件下,CMC-S-nZVI(0.1g/L)的最大传递距离为53-1191m,远高于相同浓度的CMC-nZVI(54-173m)。实验研究和模型模拟均表明除已报道过的硫化可以提高CMC-nZVI的反应活性外,硫化亦可以提高其在水相的稳定性和在饱和多孔介质中的流动性。
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