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为提高nZVI的稳定性及反应活性,近年来的研究方向主要是对nZVI进行改性,以使nZVI修复Cr(Ⅵ)污染土壤的潜力得到充分的发展。目前,nZVI的改性技术以表面修饰法和载体法为主。表面修饰法是指在制备过程中,通过表面活性剂等高分子物质(如淀粉、壳聚糖、羧甲基纤维素(CMC)、聚乙烯吡络烷酮(PVP)及聚丙烯酸(PAA)等)对nZVI的表面进行改性,通过提高颗粒之间的位阻或者增加颗粒间的静电排斥力而使nZVI颗粒保持在较小的粒径范围内,进而提高颗粒的分散性及稳定性,达到对土壤中Cr(Ⅵ)的有效去除。例如Xu等用CMC对nZVI进行修饰,可以显著提高nZVI的稳定性、反应活性及其在土壤中的流动性,从而对Cr(Ⅵ)的去除效率明显提高。Wang等利用CMC对nZVI进行修饰,得到悬浮力高、活性稳定的纳米颗粒,通过沉降实验,发现纳米颗粒在15 d后仍然有良好的反应活性。载体法是指将nZVI负载于功能性材料上,利用载体表面的基团或者孔道来防止纳米零价铁的团聚。目前常用的功能性材料主要有硅藻土、蒙脱土、炭基材料、二氧化硅等。Li等用硅砂负载nZVI,并用于修复Cr(Ⅵ)污染土壤,结果表明,硅砂能提高nZVI在土壤中的流动性,达到对Cr(Ⅵ)有效的去除。有研究将nZVI嵌入海藻酸钙水凝胶球中增加nZVI的活性及迁移性,阻止其凝聚,结果显示,仅用1.5 g的nZVI就可在1 h内去除98%的Cr(Ⅵ),去除率明显增强。以上众多研究表明,对nZVI进行改性,可以提高其反应活性、稳定性能及流动性能,从而提高其对土壤中Cr(Ⅵ)的修复效率,表1为nZVI改性前后修复Cr(Ⅵ)污染土壤的效果对比。
nZVI在修复Cr(Ⅵ)污染土壤的过程中会造成土壤板结及二次污染,针对这一问题,近年来研究者趋向于将nZVI与有机肥或炭基材料(活性炭、生物炭等)联合使用来克服这一难题。如Vemula M等将CMC-nZVI与农场粪肥混合修复Cr(Ⅵ)污染的土壤,结果显示,当CMC-nZVI的量从0.1 mg˙100 g-1增加到0.3 mg˙100 g-1和农场粪肥的量从50 mg˙100 g-1增加到100 mg˙100 g-1时,Cr(Ⅵ)的还原率可从60%增加到80%;Helen E Sneath等的研究表明,使用5% W˙W-1 Fe屑和1% W˙W-1生物炭联合修复矿山弃土,相比于5% W˙W-1 Fe屑单独修复,太阳花根、茎的生物量增加了400 mg。研究表明,炭基材料主要有以下特性:
(1)炭基材料富含有机质及N、P、K等营养元素,可以提高土壤肥力;
(2)炭基材料比表面积较大,pH值较高且表面有较多的羟基、羧基和羰基官能团,可以降低重金属的迁移能力及生物可利用性;
(3)炭基材料具有较丰富的孔隙结构,与nZVI联用可以疏松土质,减少nZVI对土壤孔隙的阻塞,进而缓解nZVI造成的土壤板结现象;
(4)炭基材料可阻止nZVI表面形成氧化膜,增加其活性,且由于其表面有较多负电荷,易吸附与固定阳离子,进而减少铁离子的释放。总之,将nZVI与有机肥或炭基材料联用修复Cr(Ⅵ)污染的土壤既能提高其对Cr(Ⅵ)修复效率、降低Cr(Ⅵ)的生物可利用性,还可以改善土壤结构、提高土壤肥力,且有机肥或炭基材料成本低廉,来源广泛,是以后发展研究的主要趋势。
目前,大多数nZVI修复Cr(Ⅵ)污染土壤的研究还处于实验室小型试验阶段,很少是半工业规模与场地修复。Singh等在污染场地进行土料堆实验,测试了nZVI场地修复Cr(Ⅵ)的有效性,但只是简单测试其对Cr(Ⅵ)的修复效果,并未对影响修复效果的环境条件进行测定。Jan等研究了nZVI原位修复Cr(Ⅵ)及其对土著微生物群落的影响,是首次描述nZVI在真实的环境条件下用于场地修复Cr(Ⅵ)污染的土壤,并对生态毒性进行评估的研究。由于真实的土壤环境是一个复杂体系,因此,为了使nZVI修复Cr(Ⅵ)污染土壤的技术推广到实际应用中,还需要开展更多的中试试验和场地修复试验。
1.2 修复机理
目前多数研究表明nZVI修复Cr(Ⅵ)污染土壤的机理主要是还原固定作用,其主要通过以下2种途径:
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