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納米材料在有機污染土壤修復中的應用與展望
發表時間:2017-11-10  文字 〖 〗  閱讀次數:2205   [關閉窗口]
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伴隨著工農業生產過程,農藥以及多氯聯苯(PCBs)、多環芳烴(PAHs)和石油烴等典型有機污染物被排入土壤環境,因其隱蔽性、滯后性和長期性等特點,人們一度忽視它們所產生的環境危害。大多數有機污染物具有水溶性差、難降解和高毒性等特點,改變正常的土壤結構和功能,弱化土壤的生產能力,并通過生物富集作用對人體產生致突變、致畸和致癌的潛在危害。

近年來,有機污染土壤修復研究引起了人們的廣泛關注,傳統有機污染土壤修復包括物理修復技術、化學修復技術和生物修復技術等。

物理修復技術主要包括氣相抽提技術和熱解吸等,氣相抽提技術成本低、可操作性強,能夠進行原位修復,但是對低揮發性有機物的處理效果較差且后期處理效率低;熱解吸工藝簡單、周期短,處理揮發性和半揮發性有機污染物效率較高,但該技術耗費能源,破壞原有土壤結構和生態系統,不適用于大范圍應用。

化學修復技術主要包括土壤淋洗和化學氧化還原技術等,這些技術對面積小和污染重的土壤修復效果較好,但對滲透性差的土壤修復效果不明顯,會破壞原有的土壤結構和生態系統,亦有引起二次污染的潛在危害。

生物修復技術包括植物修復和微生物修復技術等,盡管具有物理修復和化學修復技術無可比擬的優越性,費用較低,是環境友好型修復技術,但修復時間長,且任何一種技術都不能很好地對有機物污染土壤進行單獨修復。這些傳統修復技術的缺點嚴重制約了有機污染土壤修復的效率和發展。

隨著科技的發展和科技人員對修復技術的不斷創新,納米材料(粒徑為1~100nm)修復技術作為一種高效、經濟的有機污染土壤修復技術為人們提供了新的研究機遇。

與傳統有機污染土壤的修復技術相比,納米材料具有巨大的比表面積、超強的吸附螯合能力和優秀的催化活性,使得納米材料修復技術克服了傳統修復技術的部分缺點,在有機污染土壤修復中表現出極高的修復效率。

近年來,環境友好型納米材料修復有機污染土壤的研究已成為國內外關注的熱點,主要集中在納米材料的制備、結構表征、污染物去除機制和去除效率等方面。本文綜述了目前國內外納米材料去除土壤有機污染物的研究進展,總結了納米材料能夠發揮實用性所具備的性質,以期為今后納米材料修復有機污染土壤研究提供借鑒。

1納米材料在有機污染土壤修復中的應用

1.1金屬類納米材料及其改性技術

1.1.1納米零價鐵(Nanoscalezero-valentiron,nZVI)

nZVI因具有修復費用低,環境擾動小和健康風險低等優良特點被廣泛應用于有機污染水體和土壤的修復領域。nZVI的比表面積可以高達140m2˙g-1,而傳統的顆粒鐵粉只有1.8m2˙g-1。與傳統的顆粒鐵粉相比,nZVI具有粒徑小、比表面積大、表面吸附能力強、反應活性強、高還原效率和高還原速率等優點。

Wang等研究發現,nZVI對三氯乙烯(TCE)和PCBs的還原脫氯速率常數是傳統顆粒鐵粉的10~100倍。

Reddy等在應用nZVI和傳統顆粒鐵粉降解土壤中的毒死蜱時發現,nZVI的降解率為90%,而傳統顆粒鐵粉的降解率僅為32%。

nZVI降解有機污染物主要通過吸附和還原作用。在降解的初始階段,nZVI因其巨大的比表面積具有強的吸附能力,在反應體系中nZVI發生電極反應,產生亞鐵離子(Fe2+)和氫氣(H2),在降解過程中,具有強還原能力的nZVI、Fe2+和H2作為還原劑提供電子,與環境中的有機污染物發生反應,并將其轉化為對環境相對無害的小分子。

Reddy等研究還發現,nZVI可在10d內通過水解作用和還原脫氯作用降解土壤中90%的毒死蜱。

Satapanajaru等認為,nZVI在1個月內主要通過還原脫氯作用降解了52%的莠去津(0.02mg˙g-1)。

Chang等發現,增加nZVI的濃度可以有效提升其對芘的降解效率,并在降解的過程中產生氫氧化物,將土壤的pH值從4.8增加到8.5,氧化還原電位從+400mV變為-500mV,形成更利于降解有機污染物的強還原環境。

一般認為作為電子供體的nZVI需要在缺氧環境中才能還原分解有機污染物,溶解氧或水的存在會降低其反應活性和降解效率。但是Gomes等發現,即使反應體系存在空氣和水,nZVI仍可以在短時間內降解接近80%的草達滅農藥污染物。

Joo等在研究nZVI降解除草劑草達滅時發現,在無氧條件下的脫氯率很低,但在有氧條件下3h內降解率可達70%,脫氯率遠高于無氧環境,因此推測其反應機制為氧化反應。目前對類似情況的解釋主要為:在富氧環境中nZVI表面被氧化,形成“氧化鐵/氫氧化鐵”外殼,這層外殼可以有效地吸附有機污染物,并為鐵與污染物提供有效的電子轉移通道,此外nZVI會在反應過程中形成羥基自由基(OH˙)和過氧化氫(H2O2)降解有機污染物。

1.1.2改性納米零價鐵

盡管nZVI在降解土壤有機污染物時表現出強的吸附和還原脫氯性能,但是裸露的nZVI容易發生團聚,易被介質中的水或溶解氧氧化并形成鈍化層,甚至有些nZVI會在氧化環境中發生自燃,導致其在土壤中的反應活性和遷移能力迅速降低,最后難以達到降解目標有機污染物的目的。

Comba等通過分析112個現場修復實例發現,裸露nZVI對污染物的修復效果只有65%,明顯小于預期修復效果。因此人們通過改性的方式提高nZVI的穩定性、遷移能力和反應活性,目前研究最多且表現優異的改性方式主要包括表面包覆鈍化、聚合物表面修飾、固相負載和雙金屬復合等。

表面包覆鈍化是針對裸露型nZVI易被氧化的缺點進行的改性方法,使用氧化鐵、聚合物、二氧化硅或活性炭等進行包覆,防止nZVI被氧化和團聚。

李勇超等合成了由二氧化硅包覆的鈍化nZVI復合材料,與未包覆的nZVI相比具有更好的分散性。若包覆的材料是親脂性材料,那么形成的復合材料與有機污染物的親和力會明顯提升,在有機相中的分散性和遷移能力會大大提高。

Berge等利用乳化液包覆的nZVI和裸露型nZVI分別降解TCE,均能得到以乙烯為主的副產物且降解速率相當,重要的是乳化液包覆的nZVI在多孔介質中的遷移能力有所提高。但是,經過乳化液修飾的nZVI相對黏度較高,容易粘附在目標污染物區域外的顆粒物上,在實施時需要高壓注射,這一過程會影響nZVI復合材料乳化液外層的穩定性。

聚合物表面修飾是通過聚合物或聚合電解質修飾nZVI的表面,其原理是通過提高位阻和電荷斥力增強納米材料的分散性,并提高nZVI在土壤中的穩定性和遷移能力。由于土壤顆粒一般帶有負電荷,當整體環境pH值為中性時,土壤內含水物質表面會帶有負電荷,經過修飾后帶有正電荷的nZVI會受到靜電引力的影響吸附在土壤顆;蛘吆镔|表面,降低了nZVI的遷移能力,因此只有經過帶負電荷聚合物或聚合電解質修飾的nZVI才能應用到實際修復過程中。

通常來說,nZVI表面添加的修飾劑越多,與環境間的電斥力就越大,材料也就越穩定?紤]到小分子量的修飾劑容易被微生物降解和脫附,經大分子量的聚合物或聚合物電解質修飾的納米材料會更穩定。

Saleh等設計了nZVI-聚甲基丙烯酸-聚甲基丙烯酸甲酯-聚苯乙烯磺酸復合納米材料,聚甲基丙烯酸可以強烈吸附在被氧化的nZVI表面,聚甲基丙烯酸-聚甲基丙烯酸甲酯保證了nZVI的疏水性,避免被土壤中的溶解氧或水氧化,從而維持了nZVI的穩定性。聚苯乙烯磺酸提供了強大的電斥力,避免nZVI吸附到環境中的負電顆粒上,這種多層修飾比單獨聚苯乙烯磺酸修飾的nZVI更穩定。

實驗證明,多層修飾的nZVI靜置7h后仍有60%保持穩定,而只經過聚苯乙烯磺酸修飾的nZVI為40%,未經修飾的nZVI在1h內即完全沉淀。通常情況下,在合成nZVI之后添加修飾劑進行修飾會降低nZVI的反應活性,相反,在合成前針對性添加修飾劑會增加反應活性,其原因是合成前加入修飾劑使Fe2+與聚合物攜帶的官能團形成穩定的配合物,阻止大粒徑nZVI的成核和凝聚,Fe2+與官能團的相互作用越強、結合密度越大,聚合物的分子量越大,所形成的nZVI復合物粒徑就越小。

固相負載是將nZVI負載到硅、碳或樹脂等固體載體上,降低nZVI的團聚并提升其在多孔介質中的遷移能力。試驗表明,在相同反應時間內,單獨使用nZVI降解阿莫西林的效率為81.7%,而經過膨潤土負載的nZVI對阿莫西林降解效率增大至92.7%,比負載前提高11.0%。

劉凱等用有機改性蒙脫石(CMt)為載體制備出固體負載型nZVI,促進了nZVI的遷移能力,明顯增強了nZVI對4-氯酚的降解能力。

雙金屬復合是在裸nZVI表面附著一種貴金屬,其合成主要利用還原沉積作用來完成。目前常見的雙金屬復合納米材料為Ni/Fe、Pt/Fe和Pd/Fe等,這些復合物可以減緩nZVI的氧化過程,有助于其活性的保持,同時以Fe作為電子供體,Ni、Pt和Pd等貴金屬作為催化劑,大幅提升了nZVI降解有機污染物的速率。另外,兩種金屬間的電位差可以在材料表面形成原電池促進電子轉移,減少二次污染副產物的形成,使降解更徹底。

Elliott等使用Pd/Fe降解有機氯污染物時發現,Pd的催化作用促進了nZVI的還原脫氯效率,降解速率是單獨使用nZVI時的50倍以上,并且Pd/Fe處理后的降解產物甲烷占74%,而nZVI的主要產物為乙醚(62%)。但是雙金屬復合nZVI也有其應用限制,昂貴的貴金屬導致合成成本升高,實際應用價值降低,對土壤環境引入重金屬會影響微生物的生長,是對環境不利的選擇,同時也存在通過食物鏈富集影響人類健康的潛在威脅。

經過不同改性方法制備的nZVI具有不同的理化性質,在有機污染土壤修復過程中表現出不同的穩定性、反應活性和遷移能力。

表面包覆鈍化在防止nZVI被氧化及團聚的同時降低了nZVI在土壤中的遷移能力;聚合物表面修飾能夠提高nZVI的穩定性及在土壤中的遷移能力,但在添加修飾劑時需考慮修飾劑的性質,合成nZVI之后的修飾會降低nZVI的反應活性;固相負載能夠提高nZVI在土壤中的遷移能力,降低其在環境中的團聚;雙金屬復合能夠大幅提高nZVI的降解速率并使降解更完全,但貴金屬價格昂貴限制其大量生產,同時貴金屬添加到土壤中后影響微生物的生長,并可通過生物富集影響人類健康。

因此,使用改性nZVI修復有機污染土壤時,應根據污染物類型和土壤性質選擇合適的改性方法,在保證nZVI穩定性、反應活性和遷移能力的同時,盡量避免對環境造成二次污染。

1.1.3納米二氧化鈦(TiO2)

納米材料光催化降解土壤有機污染物技術是一種新型的處理技術,對多種有機物有明顯的降解效果,其安全、高效的特征為土壤有機污染物的降解提供了良好的途徑。具有能帶結構的納米TiO2能夠吸收波長低于387nm(3.2eV)的紫外光的輻射能量,價帶上的電子受到激發躍遷至導帶,在導帶上形成高活性電子,同時在價帶上生成帶正電的空穴,電子-空穴可以與吸附在納米TiO2表面的溶解氧、氫氧根或水分子發生一系列的化學反應最終生成羥基自由基和超氧離子,以此氧化分解有機污染物。

在自然條件下,直接的光降解作用被限制在土壤表面,添加納米TiO2可以提高土壤表面4~10cm處有機污染物的降解效率。不同能量光照下,納米TiO2降解有機污染物得到的降解產物不同。

Zhao等使用20mg˙g-1的納米TiO2降解0.0012mg˙g-1的2,2-雙(4-氯苯基)-1,1,1-三氯乙烷(p,p’-DDT)時發現,在紫外光下的降解產物為2,2-雙(4-氯苯基)-1,1,1-二氯乙烯(DDE)和二氯二苯二氯代甲烷(DDD)且降解率為27%,但在可見光下的降解產物僅為DDD且降解率為8%,在可見光下發生的是脫氯作用,而在紫外光的作用下是脫氯化氫作用,表明能量是納米TiO2光降解有機污染物的重要因素。雖然自然條件下難以改變光照的能量,但是可以通過改變納米TiO2的禁帶寬度,降低光降解時受激發所需要的能量來實現可見光下納米TiO2對有機污染物的高效降解。

與nZVI相比,納米TiO2通過自由基反應將有機污染物氧化分解為CO2和H2O等無害物質,并可將環類物質氧化開環,但是這種自由基反應沒有選擇性,會優先降解高濃度的有機污染物,而低濃度高毒性有機污染物得不到有效降解。因此,可以通過改性的方式使納米TiO2選擇性吸附并優先降解低濃度高毒性的有機污染物。

1.1.4改性納米二氧化鈦

在實際應用中單純的納米TiO2存在光吸收波長窄、太陽能利用率低和量子效率低等缺點,這些不足之處可以通過對納米TiO2的改性來彌補。對納米TiO2的改性一般包括:表面電荷調控、禁帶寬度調控、有機配體改性和固相負載等。

表面電荷調控是將納米TiO2表面帶有正、負電荷與帶有異性電荷的有機污染物異性相吸,從而達到選擇性降解目標有機污染物的目的。其方法包括:通過化學處理將納米TiO2與帶電材料雜化,使其表面帶有正、負電荷;通過調整土壤環境體系的pH值,當pH>6.5(TiO2等電點)時TiO2表面帶負電,pH<6.5時TiO2表面帶正電,以此選擇性吸附帶有異性電荷的污染物并進行光催化降解。

禁帶寬度調控一般可通過金屬離子的摻雜來完成,這一過程可以有效地使納米TiO2光響應范圍產生紅移,降低光降解時受激發所需要的能量。Kadam等利用微波法將金屬Sn(0.25%)摻雜在納米TiO2表面,使納米材料的光響應范圍產生明顯紅移,在太陽光下120min內降解了95%的甲基橙,降解效率比單獨使用納米TiO2時高出7倍。

有機配體改性是利用精氨酸、β-環糊精或八烷基三乙氧基硅烷(C8)等對納米TiO2直接進行改性,修飾上的分子與目標污染物有特異相互作用,從而對目標污染物實現選擇性吸附降解。Ahn等利用精氨酸中羧基與納米TiO2間的配位作用將精氨酸嫁接在納米TiO2表面,再利用精氨酸與硝基類化合物硝基的分子間作用力,選擇性吸附硝基類化合物如對硝基苯酚,從而實現對這一類化合物的選擇性降解。

固相負載是將納米TiO2固定到硅膠、活性炭、高聚物、氧化鋁或沸石分子篩等多孔吸附劑載體上,合適的載體可以增加發生反應的有效比表面積、提供合適的孔結構、提高熱穩定性和抗毒性能等。

Calza等研究發現,小分子污染物易進入微孔分子篩ETS-10(鈦硅酸鹽分子篩)的孔道被保護起來,大分子污染物不易進入孔道而被降解,在催化降解苯酚和2,3-二羥基萘酚(2HPP)的混合物時,降解2HPP的速率是降解苯酚的56倍,而利用HF處理后的微孔分子篩,降解2HPP的速率是降解苯酚的127倍,主要原因是小分子的苯酚可以進入分子篩孔道受到保護,2HPP這樣的大分子未能進入分子篩孔道而被降解,從而實現了選擇性光催化降解。這是目前設計選擇性光催化劑的較好思路之一。

1.1.5納米氧化鋅(ZnO)

納米ZnO具有與納米TiO2相似的光催化能力,在光照下可以降解和礦化有機污染物,甚至對某些染料的降解效率高于納米TiO2。陳宗保使用不同形貌的納米ZnO降解對硫磷、甲基對硫磷和三硫磷,并與納米TiO2的降解進行對比發現,納米ZnO比納米TiO2表現出更優的降解能力,且網狀結構比粒狀結構降解效果更好。但是納米ZnO在光催化過程中會發生光腐蝕,且分散性較差影響其實際應用。

1.2碳基納米材料

大量新興的碳基納米材料如富勒烯(C60)、碳納米管(CNTs)和石墨烯等具有高孔隙率、巨大的比表面積、疏水性、π電子系統共軛和獨特的結構形態等特點,它們對許多強疏水性和非極性有機污染物(如PAHs,PCBs,二噁英等)有很強的吸附親和力。

C60可以作為有機污染物的疏水性載體促進有機污染物在土壤中的遷移效率。雖然C60在水中的溶解度僅為1.3×10-5μg˙L-1,但通過有機溶劑轉移、超聲或長時間機械攪拌等方法可以在水中形成穩定高濃度的C60膠體。Zhang等研究表明,C60在較低的濃度下就能提升2,2′,5,5′-PCB和菲在沙質土壤中的遷移能力。

CNTs作為一維碳基納米材料,其碳原子呈六邊形排列,并構成數層到數十層的同軸圓管,根據CNTs中碳的層數可以分為單臂碳納米管(SWCNTs)和多臂碳納米管(MWCNTs)。CNTs對有機污染物有很好的吸附效果,污染物通常附著在管道的外表面或兩個相鄰管之間的通道內。

Long等發現,在低濃度下吸附到CNTs上二噁英的量比活性炭要高1034倍。Fang等發現,使用50mg˙L-1MWCNTs作為載體可以顯著提高0.1mg˙L-1菲在土壤中的遷移能力。但是MWCNTs比富勒烯的吸附能力弱,部分被吸附到MWCNTs表面的有機污染物會在遷移時被解吸出來,吸附能力可以通過增加表面官能團(羥基、羰基和羧基等)的數量得到提升。

Chen等發現氧化后的CNTs附許多極性有機污染物的能力比吸附非極性有機污染物的能力高出好幾個數量級。石墨烯是一種新型二維碳基納米材料,具有巨大的比表面積(理想的石墨烯為單層結構,理論比表面積高達2630m2˙g-1),石墨烯與有機污染物之間可以形成π-π鍵,使得石墨烯對有機污染物具有超強的吸附能力。同時,功能化的石墨烯如氧化石墨烯其表面官能團可以進一步提升吸附能力。

Qi等通過實驗發現,5.3~20.2mg˙L-1氧化石墨烯可顯著提升1-萘酚的遷移能力,但對菲的遷移能力提升不大,原因可能是氧化石墨烯與1-萘酚有更強的極性相互作用。

盡管碳基納米材料有很多的優點,但其存在潛在的毒性,特別是表面攜帶的小分子親水性基團如羥基和羧基可能增加有機污染物的溶解性和生物相容性,導致有機污染物毒性增強。同時,生產及應用的高成本也是限制其現場實驗和應用的另一個因素。

1.3聚合類納米材料

聚合類納米材料具有非常穩定的形態結構,可以通過選擇聚合物的方式和聚合單體的方式來制備,并且可以通過控制尺寸和粒徑的統一性使聚合類納米材料在具有小尺寸效應、表面效應及量子隧道效應的同時還具有其他特定的功能。內部親油、表面親水的雙親性納米聚合物由于其獨特結構,不僅能有效去除土壤中的疏水性有機污染物,而且不易被土壤顆粒吸附,從而避免了納米聚合物在修復土壤有機物時濃度的降低,更適合長期使用。

Tungittiplakorn等合成雙親性納米聚合物———聚亞胺酯(APU)并研究發現,APU納米聚合物能夠加速PAHs等污染物與土壤顆粒的解吸過程,提高污染物在土壤中的遷移能力,從而達到去除土壤中PAHs等污染物的目的。

2納米材料在土壤介質中所需的性質

納米材料的尺寸介于原子、分子和宏觀體系之間,具有獨特的表面效應、體積效應、量子尺寸效應和宏觀量子隧道效應,在催化降解水體有機污染物中已有廣泛的研究和應用,但在有機污染土壤修復中的應用相對較少?紤]到污染物在土壤介質中表現出異于水體中的性質,同時土壤環境相對復雜,難以直接使用在有機污染水體修復中表現優秀的納米材料,在納米材料的設計過程中應考慮其在土壤介質中所應具有的性質。

2.1反應活性

納米材料能夠高效降解土壤有機污染物得益于其與有機污染物之間的高反應活性。但是,當土壤介質中存在土壤顆粒-水-溶解氧的氧化環境時,具有高反應活性的納米材料容易被氧化,改變其原有的理化性質并迅速降低反應活性。如nZVI裸露在空氣中極易被氧化,形成的鈍化層會降低nZVI的反應活性,限制了其在土壤介質中的應用。

Sohn等將合成的nZVI暴露在空氣中3、30、60d后發現,納米材料表面形成了氧化物/氫氧化物的鈍化層,使其反應活性大為降低。nZVI去除有機污染物的效率會隨著反應的進行大幅降低。

Darko-Kagya等使用nZVI降解2,4-二硝基甲苯時發現,nZVI在1d內可以降解96%的2,4-二硝基甲苯,而在形成鈍化層后的13d內僅降解了3%。對納米材料進行表面改性鈍化或添加貴金屬形成雙金屬復合納米材料可以避免納米材料的氧化。

活性位點的數量是納米材料降解污染物的關鍵因素,活性位點數量的減少會降低納米材料的反應活性。

Tratnyek等認為,動植物體分解形成的天然有機物所攜帶的羧基基團在鐵氧化物表面有很強的吸附能力,吸附的天然有機物會阻塞nZVI的活性位點而使納米材料的反應活性降低。另外,減少納米材料的非活性位點也會影響納米材料的吸附性能,從而影響納米材料與有機污染物間的反應活性,在使用nZVI降解環境中的有機鹵化物時,一些不與nZVI反應的有機物如甲苯、苯乙烷和二甲苯等會競爭性地吸附在nZVI表面,改變nZVI的表面性質并降低其降解有機鹵化物的能力。

Dries等研究發現,二甲苯吸附在nZVI的非活性位點上使TCE的吸附率降低73%,從而降低了nZVI對TCE去除效率。一些降解過程的中間產物或者金屬沉淀會包裹在納米材料的表面,減少納米材料的有效位點數量。如Li等使用nZVI降解TCE時發現,當Zn作為共存污染物時,Zn的還原反應會與TCE的還原脫鹵反應競爭環境中的電子,同時鐵氧化物對Zn的表面絡合作用阻塞了nZVI的表面活性位點,使TCE的降解速率減慢2~4倍。因此,減小粒徑大小和提高相對反應活性位點數量能夠提升納米材料的反應活性。

2.2穩定性

只有能夠在土壤介質中穩定的納米材料才能保持原有的形貌,避免發生團聚和反應活性位點數量的減少,保證納米材料在土壤介質中的高分散性,才能使納米材料充分接觸到土壤中的有機污染物并發揮降解作用。但是合成的納米材料尤其是未經過任何表面修飾的納米材料易發生團聚并吸附在土壤顆粒上,導致納米材料在土壤中的遷移能力大為降低,減少了納米材料與有機污染物的接觸幾率。

目前,土壤介質中電解質影響納米材料穩定性和遷移能力的原理可以用Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek(DLVO)理論來解釋。在分散介質中,DLVO理論通過顆粒物間的范德華力和雙電層力來評估納米材料的團聚狀態。

范德華力是由兩物體瞬時偶極間的相互作用(通過介質傳遞)而產生,其大小依賴于相互作用表面、介質的密度和極化性。納米材料一般都帶有電荷,相同電荷材料間存在相互排斥力,其大小決定于納米材料表面的電荷數目、介質中電解質溶液的離子強度、pH值、材料顆粒大小和相互之間的距離。

Espinasse等認為,C60在多孔介質中的遷移和沉積受到離子強度的影響,C60與帶有負電荷的土壤顆粒間的雙電層斥力因溶液中離子強度的增加而降低,使得更多納米材料能夠沉積到土壤顆粒表面。

對于磁性納米材料來說,決定其團聚與否的關鍵因素是其本身帶有的磁力大小,當納米材料間的磁力起到了支配時易發生團聚。

O’Carroll等認為,高磁性的nZVI在2~15min內就發生明顯的團聚現象,并在30min內完全沉降。

相反,Liu等報道,非磁性的赤鐵礦納米材料在水中表現出更好的分散性能。納米材料在土壤中的分散性受到粒徑大小、材料表面性能、介質中的濃度、溶劑的化學性質和土壤本身質地的影響,要使納米材料達到高分散的狀態,可以應用分散劑使納米材料在介質中形成穩定的混懸液,或者應用聚合物、天然有機材料和表面活性劑等對納米材料進行表面修飾。表面修飾的方法因為容易改變納米材料的表面電荷和水合粒徑,從而減小顆粒間的作用力,是一種經濟實用的改性方法。

Pan等用腐植酸修飾磁鐵礦納米材料,使納米材料的零電荷電勢從7減小到3以下,提升了納米材料的穩定性。雖然通過表面有機修飾可以有效地提升納米材料的穩定性,但是部分生物可降解的修飾劑可以被部分解吸,尤其是分子量較小的有機配體更容易發生這種現象。因此,分析納米材料有機配體的解吸率和生物可利用率將成為土壤修復中的熱點和研究方向。

2.3遷移能力

影響納米材料在土壤中遷移能力的因素一般包括顆粒物的布朗運動、介質的吸附截留作用和顆粒物的重力沉降。

通常情況下,顆粒物的布朗運動在遷移中起到主導作用,但是當納米材料的粒徑大于400nm時重力沉降作用將在納米材料的遷移中占據支配地位。

Tratnyek等通過注射nZVI的方式對污染土壤進行修復,當利用注射方式修復有機污染土壤時,納米材料從注射點遷移到目標污染區才能發揮降解作用,因此納米材料在土壤中的遷移能力成為修復的關鍵因素。提高納米材料在土壤中遷移能力的方法主要包括滲透、水壓致裂、化學配體促進和動電學效應等。滲透主要存在于高滲介質中;水壓致裂應用于低滲有裂隙的介質,納米材料的遷移能力隨著注射壓力的升高有顯著的提升;化學配體可改變納米材料的疏水性,減少材料自身的團聚,減少土壤顆粒對納米材料的吸附和截留,提升遷移能力。

Cameselle等研究表明,乳酸鹽配體、酸性聚合物和環糊精修飾后的nZVI具有更好的遷移能力,10%的乳酸鋁可以有效地提升nZVI的遷移能力并使其具有最高的洗脫率;動電學效應可以提升納米材料在低滲土壤如粘土中的遷移能力,nZVI在壤質存在電位差的情況下可將遷移距離從0.25m提升到25m。

3展望

在修復有機污染土壤的研究領域,納米材料降解有機污染物的過程中表現出強烈的表面吸附、氧化還原反應和催化降解性能,具有傳統修復技術難以比擬的修復效率。

一般情況下,納米材料的高表面活性會導致納米材料發生團聚和鈍化,影響納米材料在土壤介質中的穩定性、反應活性和遷移能力,因此發展出各種納米材料的改性方法。在實際應用中應根據污染物的性質選擇合適的納米材料,同時,在設計納米材料時應深入研究其修復機理和納米材料在土壤環境中的實際行為,探討影響修復過程的關鍵性基團,降低制備成本,設計更為經濟、高效的改性劑。這一思路將成為今后探討的重要方向。

納米材料修復水體有機污染物的案例較多,種類也更為豐富,在將其借鑒至有機污染土壤修復時應深入探討土壤環境與水體環境的差異,分析納米材料能否繼續發揮其作用。目前對于有機污染土壤修復的研究還多處于實驗室研究階段,對于原位污染土壤的實施較少。因此在實際應用中,應對每個污染場地認真考察,明確污染物的類型和濃度、土壤基質的組成、孔隙度、滲透系數、地下水面坡度和流速等,針對性地制定修復策略,并在實驗室通過土柱實驗系統模擬現場環境考察納米材料的穩定性、反應活性和遷移能力,評估出合適的納米材料,并確定投放地點、輸送方式、投放濃度和投放周期等。

盡管納米材料在有機污染土壤修復方面有很大的優勢,但人們對其潛在的環境風險知之甚少而且難以量化。納米材料能否被微生物吸收,是否干擾生物系統以及是否通過食物鏈富集影響人類健康還在研究中。因此,當需要額外添加納米材料降解有機污染物時,應考慮其對微生物及人類健康的負面影響;同時,要避免納米材料遷移至污染區外,對新型納米材料的生態毒性、運輸和積累進行系統研究,并建立監測和評估機制。此外,部分納米材料的高成本也限制了其在有機污染土壤修復中的應用,應用天然原料等合成新一代低成本的納米材料將成為未來研究的熱點。


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