纳米零价铁(nZVI)在活化过硫酸盐进行地下水原位修复中极具潜力,但nZVI颗粒强烈的磁团聚效应使其在地下含水层中的迁移距离极短,限制了其有效作用半径。将nZVI在磁场引导下自组装成一维的纳米链状结构,可以显著降低其团聚倾向,提高其在多孔介质中的迁移性。同时,在nZVI链表面通过可控氧化,原位生成一层致密的四氧化三铁(Fe₃O₄)壳层,形成Fe⁰@Fe₃O₄的核壳结构。这层Fe₃O₄壳不仅能保护内部的Fe⁰核不被过快腐蚀消耗,而且Fe₃O₄本身是一种窄带隙半导体,其晶格中的Fe²⁺/Fe³⁺氧化还原对可以作为高效的“电子穿梭体”,促进电子从Fe⁰核心向外层的过硫酸盐和污染物传递,从而提升电子利用效率和催化活性。
本研究在弱磁场辅助下,通过NaBH₄液相还原Fe²⁺,合成了由nZVI颗粒线性排列而成的一维纳米链,随后通过精确控制的水浴氧化条件,在纳米链表面形成了厚度均匀的Fe₃O₄壳层。透射电镜清晰地显示了其串珠状的核壳结构。在活化和缓释过硫酸盐降解三氯乙烯的批次实验中,该纳米链的催化活性和长效性均优于未经组装和未包壳的nZVI颗粒。砂柱迁移实验也证实,其一维结构和弱剩磁使其在多孔介质中的迁移距离是普通nZVI颗粒的2.5倍以上。其优异性能源于:Fe₃O₄壳层加速了电子传递并保护了Fe⁰核;一维链状结构减少了涡流损耗和团聚,增强了迁移性。
经过60天的长期降解实验,Fe⁰@Fe₃O₄纳米链对水中三氯乙烯的去除效率始终保持在95%以上,而普通nZVI在20天后已严重钝化失活。该研究通过巧妙的磁场诱导自组装和表面工程,同时解决了nZVI在地下环境中的迁移性、反应活性和稳定性三大难题,为nZVI基材料的原位地下水修复应用提供了更先进的设计。
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