华南理工李筱琴团队: 无定型纳米零价铁去除重金属 Sb 的深入研究

文摘   2024-11-29 12:37   北京  

研究背景

零价纳米铁 (nZVI) 已经被广泛的应用于地下水中重金属如砷、铬等污染。nZVI 与重金属的反应是表面介导过程,nZVI 晶型结构会影响其表面性质、反应活性、老化铁氧化产物种类和分布,最终影响对吸附重金属在环境中的稳定性。
前期研究表明,相比 nZVI,无定型的纳米零价铁 (A-nZVI) 能实现对 Sb 高效稳定去除。但不同晶型结构的 nZVI 与 Sb(III) 反应后老化产物的差异及其对 Sb 迁移转化的影响尚待深入研究。

论文简介

近日,华南理工大学李筱琴副教授带领研究团队通过 HR-TEM、Raman 光谱以及 XANES 分析了 nZVI 和 A-nZVI 与 Sb(Ⅲ) 反应前后的表面铁氧化物的演变,利用 DFT 理论计算分析了五种铁氧化物对 Sb(Ⅲ) 的吸附能,采用 EXAFS 分析了反应后 nZVI 和 A-nZVI 上 Sb 原子的化学态和局域结构,阐明 nZVI 和 A-nZVI 在去除 Sb(Ⅲ) 过程中老化产物的演变及其对 Sb(Ⅲ) 去除稳定性的影响,帮助理解吸附后重金属 Sb 在环境中的最终归趋,为 nZVI 应用于重金属污染治理提供更多的理论基础。
  • 图 1. 图形摘要

如图 2 是反应前后 nZVI 的表征结果,新鲜制备的 nZVI 由直径约为 50 nm 的球状颗粒团聚成链状结构,具有明显的核-壳结构,晶型良好。与 Sb(III) 反应后,大部分 nZVI 颗粒是模糊粗糙的类球状,总体呈链状聚集;表面形成的氧化物主要为 α-Fe2O3

  • 图 2. 新鲜制备的 nZVI
如图 3 是反应前后 A-nZVI 的表征结果,新鲜制备的 A-nZVI 是直径为 5-10 nm 的纳米颗粒,呈无定型态。与 Sb(III) 反应后,整体呈进一步的聚集状;反应产物中含有 γ-FeOOH 和 γ-Fe2O3

  • 图 3. 新鲜制备的 A-nZVI
Fe 的 k 边 XANES-LCF 拟合结果表明(图 4),新鲜 A-nZVI 中 Fe(0)的含量为 12.3%,低于 nZVI 的 39.2%。与 Sb(III)反应后,A-nZVI 中的氧化铁主要由 γ-Fe2O3(33.9%)和 γ-FeOOH(29.8%)组成,而 α-Fe2O3(24.9%)和 α-FeOOH(31.8%)在 nZVI 中占主导地位。

  • 图 4. Fe 的 k 边 XANES-LCF 拟合结果
Sb-k 边的 EXAFS 分析结果表明(图 5),Sb 以三价和五价的形式存在于 nZVI 和 A-nZVI 中;nZVI 去除 Sb(III)发生了解析是因为 Sb 没有进入到 nZVI 的结构而仅结合在 nZVI 表面的不稳定的结合方式,而 A-nZVI 中的 Sb 以内球络合物的形式形成了更稳定的双齿单核共边结构,并且更多的 Sb 掺入了 A-nZVI 中的铁氧化物的晶格中,这种结合和掺入保证了 A-nZVI 更稳定地固定 Sb。
  • 图 5. Sb 的 K 边 EXAFS 表征

综合上述研究表明,A-nZVI 表面的铁氧化物由更多的 γ-FeOOH 和 γ-Fe2O3 组成,对 Sb(III) 都具有较大的吸附能和较短的 Sb 键长;在反应过程中,Sb 被掺入 A-nZVI 的晶格中并形成双齿单核共边结构。因此,A-nZVI 显示出对 Sb 的更有效和更稳定的去除。而 nZVI 上的氧化物主要是 α-FeOOH 和 α-Fe2O3,它们对 Sb 的吸附能较低且键长较长,因此,nZVI 对 Sb 的去除效率较低,Sb 更容易释放到环境中。

这些结果表明在使用铁基材料修复重金属污染时,铁氧化物的形成对重金属长期稳定性至关重要。该成果以 “Transformation of iron oxides in amorphous nanoscale zero-valent iron (A-nZVI) and nZVI: effect on Sb(III) removal affinity and stability”(《无定型纳米零价铁(A-nZVI)和 nZVI 中铁氧化物的转化及其对 Sb(III) 去除的影响》)为题,发表在英国皇家化学会期刊 Environmental Science: Nano 上,并入选为 hot article

论文信息

  • Transformation of iron oxides in amorphous nanoscale zero-valent iron (A-nZVI) and nZVI: effect on Sb(III) removal affinity and stability

    Qi Cheng‡, Qingrui Li‡, Xiaoqin Li*, Weizhen Liu, Zhang Lin, and Liyuan Chai李筱琴,华南理工大学)

    Environ. Sci.: Nano, 2024, 11, 4020-4028
    https://doi.org/10.1039/D4EN00158C

作者简介

程祺
华南理工大学
本文共同第一作者,硕士研究生,毕业于华南理工大学环境与能源学院。研究方向为重金属污染地下水和废水的纳米修复技术。






李庆蕊 硕士研究生
华南理工大学
本文共同第一作者,硕士研究生,现就读于华南理工大学环境与能源学院。研究方向为重金属污染地下水和废水的纳米修复技术。







李筱琴 副教授
华南理工大学

本文通讯作者,副教授,博士生导师,华南理工大学环境与能源学院。主要研究领域为重金属固废/危废污染控制和资源化利用;重金属以及有机污染土壤和水体的修复技术;环境纳米材料的开发和应用;地下水和废水处理。

相关期刊

Nano aspects of environmental science and sustainability

rsc.li/es-nano

Environ. Sci.: Nano

2-年影响因子*5.8
5-年影响因子*6.7
JCR 分区*Q1 化学-多学科
Q1 环境科学
Q2 纳米科学&技术
CiteScore 分12.2
中位一审周期44 


Environmental Science: Nano 全面报道具有环境用途的工程纳米材料的设计和应用研究,以及人工与天然纳米材料在生物和环境体系中的相互作用。发文范围包括但不限于:纳米材料在水、空气、土壤、食物和能源可持续性等领域的新应用;纳米材料在生物系统中的相互作用以及纳米毒理学研究;纳米尺度材料的环境宿命、反应性和转化;环境中的纳米尺度过程;可持续性纳米技术,包括纳米材料的合理设计、生命周期评价、风险/效益分析等。

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    🇨🇳 南方科技大学

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    🇮🇱 特拉维夫大学

* 2023 Journal Citation Reports (Clarivate, 2024)

 CiteScore 2023 by Elsevier
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