电镀和不锈钢工业场地的地下水中,常出现六价铬(以阴离子CrO₄²⁻或Cr₂O₇²⁻形式存在)和二价镉(以阳离子Cd²⁺形式存在)的复合污染。这两种离子的化学性质迥异,在水中的迁移行为相反,用单一吸附剂或沉淀剂将其同步去除极具挑战。例如,加碱提升pH可沉淀Cd²⁺,却可能因竞争吸附和去质子化效应导致Cr(VI)的吸附降低甚至释放。开发对阴、阳离子均有高效去除能力的多功能修复材料是解决此复合污染问题的关键。本研究以廉价、来源广的蒙脱石粘土矿物为基底,通过碱改性创造更多的负电荷吸附位点,并以其为载体负载纳米零价铁,构建了双功能复合材料B-Mt@nZVI。
碱改性处理不仅去除了蒙脱石层间的杂质,还显著增大了其层间距和比表面积,更关键的是增加了其表面永久负电荷密度。因此,B-Mt本身就对Cd²⁺阳离子具有极强的静电吸附和离子交换能力。同时,原位负载的纳米零价铁颗粒高度分散在改性蒙脱石的表面和层间,为处理Cr(VI)提供了还原反应的纳米引擎。在处理含有Cr(VI)和Cd²⁺混合液的批次实验中,该复合材料展现了对两种污染物同步的高去除率,且二者之间几乎没有相互抑制效应,甚至在低浓度下呈现出协同增强的去除效果。
X射线光电子能谱和X射线吸收近边结构光谱等表征手段,清晰地揭示了其协同机理。在反应过程中,纳米零价铁作为电子源,将高毒的Cr(VI)还原为低毒的Cr(III),自身被氧化为亚铁和三价铁离子。这些铁离子迅速水解,在蒙脱石表面原位生成了大量无定形的铁(氢)氧化物胶体。这些新生的胶体具有极高的反应活性,不仅对Cr(III)产生强烈的吸附和共沉淀,还进一步提供了新的吸附位点去捕获Cd²⁺。整个反应过程是纳米零价铁的化学还原、蒙脱石的静电吸附和原位新生铁氧化物的网捕共沉淀三者协同作用的结果,最终使得两种重金属污染物被牢牢地锁定在复合材料上,极大地降低了其在环境中的迁移性和生物可利用性。
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