苯、甲苯、乙苯和二甲苯(BTEX)是加油站和石化工业场地地下水中的典型污染物。原位化学氧化(ISCO)是常用的修复手段。纳米零价铁是活化过硫酸盐产生硫酸根自由基的出色催化剂,但nZVI存在易团聚和钝化的问题。多孔碳材料具有巨大的比表面积和丰富的孔道结构,对BTEX等疏水性有机物有强烈的吸附富集作用。以金属有机骨架(MOF,如ZIF-8)为前驱体,通过在其孔道内预先吸附亚铁离子,再进行高温碳化,可以一步制备出被多孔碳壳层紧密包裹、高度分散的nZVI@PC复合材料。这种精巧的结构,将nZVI的高催化活性与多孔碳的吸附富集功能完美地集于一身。
制备过程中,ZIF-8首先浸泡在FeSO₄溶液中,使Fe²⁺离子扩散进入其有序的微孔中。然后在惰性气体中高温碳化,ZIF-8的有机配体转化为氮掺杂的多孔碳骨架,而被限域在孔道内的Fe²⁺被原位还原为nZVI纳米颗粒。TEM图像显示,nZVI颗粒尺寸均一(约20-30纳米),被均匀地封装在多孔碳基体内部。在处理含有BTEX混合物的模拟地下水的实验中,nZVI@PC活化过硫酸盐体系在30分钟内将BTEX的总浓度去除了98%以上,其反应速率常数是单独nZVI体系的5倍。其高效性主要归因于:多孔碳的疏水孔道对BTEX分子的快速吸附和富集,在其内部创造了远高于溶液本体的污染物浓度微区,使得nZVI活化过硫酸盐产生的SO₄·⁻和·OH在极近的距离内就能高效攻击目标分子。
柱实验模拟了该材料在PRB中的应用。在长达100天的运行中,nZVI@PC填充柱对模拟地下水中BTEX的去除率始终保持在99%以上,出水中未检测到BTEX。相比之下,纯nZVI柱在运行40天后,去除率开始持续下降。多孔碳壳层还起到了保护nZVI、延缓其被水中溶解氧腐蚀钝化的作用。该研究通过MOF模板法,精确构筑了吸附与催化功能一体化的复合纳米材料,为BTEX等有机污染地下水的高效原位修复提供了先进的化学氧化技术方案。
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