硫化纳米零价铁中硫化铁相在厌氧水下固存亚砷酸盐的作用机制解析

本文系统阐明了后硫化纳米零价铁（S-nZVIpost）中硫化铁相（FeSx）通过硫空位激活吸附水产生表面羟基自由基（•OHad）的新型催化机制，突破性地实现了厌氧条件下As(III)的高效氧化与As-S沉淀协同固定，为地下水砷污染治理提供了具有长期稳定性的先进纳米材料设计策略。

　　

研究亮点

S-nZVI^post通过突破性特性提供了一种变革性方法，克服了传统技术的关键限制。硫掺杂通过促进电子转移和推动As(III)氧化成毒性更低、溶解度更低的As(V)，将S-nZVI^post的As(III)去除率提高了八倍，在10分钟内达到反应平衡（所需时间仅为nZVI的一半）。与nZVI通过吸附和还原为As(0)来去除As(III)不同，S-nZVI^post采用了不同的机制：硫化铁相中的硫缺陷位点将吸附的水分子激活成表面结合的羟基自由基（•OH_ad），从而在厌氧条件下促进As(III)的部分氧化。金属铁核为As(III)/As(V)渗透到S-nZVI^post的内核区域提供了驱动力，而硫化铁则促进了低溶解度砷硫沉淀物（如As₂S₃/As₂S₅）的形成以及砷硫在整个颗粒中的均匀分布。

结论

S-nZVI^post在克服传统纳米零价铁（nZVI）局限性方面展现出显著优势。研究表明，硫化过程引入的硫化铁相（特别是其硫空位）在厌氧条件下能原位激活水分子产生表面羟基自由基（•OH_ad），这一独特机制实现了As(III)的高效氧化。同时，材料独特的核壳结构协同促进了砷向颗粒内部的迁移以及低溶解度砷硫沉淀物的形成。动态柱实验证明其具有卓越的长期稳定性，在14.5小时内保持近乎完全的砷去除能力，远优于普通nZVI的2.5小时。这些发现凸显了S-nZVI^post作为一种先进纳米材料，在地下水修复和废水处理领域具有巨大的应用潜力。