1. 研究目的与意义
随着现代工业的发展、城市污染的加剧和农用化学物质的增加，土壤重金属污染日益严重。重金属铬是其中最典型的污染物之一。铬在土壤中以正三价和正六价形式存在，而正六价铬具有极强毒性，对农作物、绿色植物及人体有强烈的危害。目前，对重金属污染有效的传统处理方法主要有物理处理法（吸附处理法，膜分离法，离子交换法等）、化学处理法（氧化还原法，化学沉降法，电解法等）、生物处理法（植物和微生物修复法、生物吸附法、生物絮凝法、生物化学法）等，但是存在着成本高，有二次污染以及处理效率低等问题。纳米零价铁颗粒（nZVI）因其大的表面积和高的表面反应活性，吸引了众多科学家的广泛关注。据报道，nZVI可用于去除水体中的重金属、有机染料、有机氯化物、无机阴离子及农药等，是目前广泛研究的环境纳米材料。但是由于其特殊的理化性质，在实际应用中还存在着易团聚，易氧化，稳定性差的问题。为了提高nZVI的分散性，避免粒子的团聚，提高粒子的反应活性，对nZVI进行负载是比较常见的方法，它不但可以保持原有纳米铁的特性，还可以增强其稳定性，同时提高回收效率。绿色合成nZVI是比较新的合成方法，利用植物提取液中的多酚等还原性物质还原铁离子或者亚铁离子，而且这些还原性物质还能起到分散性和稳定剂的作用。 零价铁对地下水中的铬去除情况以及其在土壤中迁移机制。在石英砂柱中添加大肠杆菌，模拟真实的土壤环境，改变nZVI悬浮液的pH值、悬浮液的离子强度，探究这些因素对nZVI迁移的影响，通过测定悬浮液的Zeta电位和水力学半径，寻找合理的迁移机制,为以后重金属污染的地下水环境和土壤修复提供重要依据。
2. 研究内容和预期目标
本课题主要探究羧甲基纤维素钠（CMC）负载的纳米零价铁对六价铬的去除效果并且探究其在土壤修复过程中的迁移规律。
在石英砂柱中添加大肠杆菌，模拟真实的土壤环境，改变CMC-nZVI悬浮液的pH值、悬浮液的离子强度，探究这些因素对CMC-nZVI迁移的影响，通过测定悬浮液的Zeta电位和水力学半径，寻找合理的迁移机制。
3. 研究的方法与步骤
迁移实验
（1）将筛取好的石英砂装填石英砂柱（18.6×2.6），先将柱子用记号笔平均分为7段，装柱子时注意装紧摇均，固定在铁架台上，细管在泵上装好，先用去离子水全速跑15 min左右，检查石英砂柱是否漏水或柱子是否堵塞，再把速度调至5~6饱和12 h； （2）配制背景溶液（分别是0.01 mM、0.1 mM、5 mM氯化钠溶液），泵入石英砂柱饱和，开启四通道自动部分收集器，放置10 mL的容量瓶，设置参数，起始管号和结束管号都为1，时间为2 min，保存参数，通过调节蠕动泵的转速，使泵出液的速度为10mL/2 min，把10 mL容量瓶装好为止； （3）再调节自动部分收集器的参数，分别为起始管号为1，结束管号为20，时间2 min，保存参数，蠕动泵的速度不变，备用； （4）取40 mL培养好的大肠杆菌溶液放在离心机里离心10 min，倒去上层液，再用背景溶液冲洗洗2-3次，离心5 min； （5）称制备好的0.25 g M-nZVI于250 mL烧杯中，用背景溶液冲洗离心好的大肠杆菌与烧杯中，用氢氧化钠或盐酸调节悬浮液pH = 6或pH = 8，用保鲜膜盖好，放入超声仪里超声30 min（注意10 min换一次水，以免水温过高，影响溶液pH，从而影响实验结果），制成大肠杆菌和零价铁悬浮液； （6）在机械搅拌器搅拌的情况下，将大肠杆菌和零价铁悬浮液经蠕动泵泵入石英砂柱，在四通道自动部分收集器上收集取样，先在悬浮液中同一位置用5 mL移液枪取两个5 mL溶液与两个25 mL烧杯中做C0 ，再在同一位置取10 mL溶液与另一烧杯中测Zeta电位； （7）将跑出的溶液用10 mL小试管收取好，并边跑边取样，取的管号为：2 、3 、4 、5 、6 、7 、8 、9 、11 、13 、15 、17 、19每个样取5 mL与25 mL烧杯中，待测紫外样品分析； （8）跑完这20管后，再用背景溶液跑20管，也分别取样，管号为21 、 23 、25 、27 、 29 、31 、 33，同上待测紫外样品分析； （9）将上述两个C0和取好的20个样用紫外分光光度计测定Fe的含量，绘制零价铁的迁移变化曲线; （10）然后准备7个干净的25 mL小烧杯，称重记录； （11）将柱按标记的7端分别从上到下一段一段地用钥匙掏石英砂，注意不能使层析柱内的液体倒流出来，放在平板加热台上，调节温度在220℃，加热烘干； （12）冷却称重记录，待消减测紫外，进行样品分析
4. 参考文献
| 主要参考文献 |
| [1] Qian W, Qian H J, Yang Y P, et al. Reduction of hexavalent chromium by carboxymethyl cellulose-stabilized zero-valent iron nanoparticles[J]. Journal of Contaminant Hydrology, 2010, 114(1):35-42. [2]原野, 蔡荔, 童美萍. 细菌对铅和铬在多孔介质中迁移行为的影响[J]. 北京大学学报(自然科学版), 2015, 51(3):539. [3]李凯旋, 张永祥, 兰双双. 羧甲基淀粉钠改性零价纳米铁在饱和多孔介质中的迁移[J]. 应用化工, 2017(5). [4] Nadagouda M N, Hoag G, Collins J, et al. Green Synthesis of Au Nanostructures at Room Temperature Using Biodegradable Plant Surfactants[J]. Crystal Growth Design, 2009, 9(11):4979-4983. [5] Dong H, Lo I M C. Influence of humic acid on the colloidal stability of surface-modified nano zero-valent iron[J]. Water Research, 2013, 47(1):419. [6] Zhang X, Lin S, Chen Z, et al. Kaolinite-supported nanoscale zero-valent iron for removal of Pb2 from aqueous solution: reactivity, characterization and mechanism[J]. Water Research, 2011, 45(11):3481-8. [7] Jung B, O'Carroll D, Sleep B. The influence of humic acid and clay content on the transport of polymer-coated iron nanoparticles through sand[J]. Science of The Total Environment, 2014, 496C:155-164. [8] Guan X, Sun Y, Qin H, et al. The limitations of applying zero-valent iron technology in contaminants sequestration and the corresponding countermeasures: the development in zero-valent iron technology in the last two decades (1994-2014) [J]. Water Research, 2015, 75:224. [9] 秦樊鑫, 魏朝富, 李红梅. 重金属污染土壤修复技术综述与展望[J]. 环境科学与技术, 2015(s2). [10] Zhang M, He F, Zhao D, et al. Transport of stabilized iron nanoparticles in porous media: Effects of surface and solution chemistry and role of adsorption[J]. Journal of Hazardous Materials, 2017, 322(Pt A):284-291.
[11] 高园园, 周启星. 纳米零价铁在污染土壤修复中的应用与展望[J]. 农业环境科学学报, 2013(3):418-425. [12] Jia Z, Shu Y, Huang R, et al. Enhanced reactivity of nZVI embedded into supermacroporous cryogels for highly efficient Cr (VI) and total Cr removal from aqueous solution[J]. Chemosphere, 2018, 199:232-242.
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5. 计划与进度安排
- 2022-02-25~2022-02-28 查阅文献，制定实验方案，完成开题报告;
- 2022-03-01~2022-03-15 合成不同比例的CMC负载的纳米铁;
- 2022-03-16~2022-03-30 探究添加大肠杆菌、改变CMC-nZVI悬浮液的ph值、悬浮液的离子强度对CMC-nZVI迁移的影响;
- 2022-04-01~2022-04-15总结前期工作，完成中期答变前准备;
- 2022-04-16~2022-05-24探究悬浮液的Zeta电位和水力学半径，分析CMC-nZVI的迁移规律；
- 2022-05-28~2022-06-08 毕业论文的撰写。
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