改进型无定形聚硫化铁固定 Cr (VI) 的性能与机制研究：开启地下水修复新征程

为解决无定形 FeSx去除 Cr (VI) 效果及机制不明的问题，研究人员合成改进型无定形聚硫化铁（AIPS）研究其对 Cr (VI) 的去除效果。发现慢滴定合成的 AIPS 去除能力更强，为合理设计 AIPS 提供新思路。

　　

在地下水和土壤污染治理的 “战场” 上，铬（Cr）污染一直是个让人头疼的 “顽固敌人”。铬在环境中主要以六价铬（Cr (VI)）和三价铬（Cr (III)）的形态存在，其中 Cr (VI) 溶解性好、易迁移且毒性极强，就像隐藏在地下的 “毒瘤”，悄无声息地威胁着生态环境和人类健康。而将 Cr (VI) 转化为毒性较低、溶解性差的 Cr (III)，成为了治理铬污染的关键 “武器”，这一过程也吸引了众多科研人员的目光。

在众多用于处理 Cr (VI) 的材料中，纳米零价铁（nZVI）凭借高比表面积和强反应性备受关注。然而，它也有自己的 “弱点”，容易团聚和钝化，这就好比一个强大的战士穿上了沉重的铠甲，行动受限，在实际应用中大打折扣。为了让 nZVI 更好地发挥作用，科学家们想出了各种办法对其进行改造，硫化法就是其中备受瞩目的一种。硫化后的 nZVI 表面常常会生成无定形 FeS_x，它被认为是增强硫化 nZVI 修复 Cr (VI) 能力的 “幕后英雄”。无定形 FeS_x不仅能释放出 Fe²⁺、S^2?、S₂^2?等具有还原性的离子直接还原 Cr (VI)，其无定形结构还赋予了它比晶体结构更强的反应活性。但尴尬的是，在以往的研究中，无定形 FeS_x总是和 nZVI 一起 “行动”，导致人们难以准确了解它单独去除 Cr (VI) 的效果和机制。

此外，还有研究发现，通过快速直接液相沉淀法合成的无定形 FeS_x，在没有微波辅助的情况下，去除 Cr (VI) 的能力很差。考虑到材料的结晶度和无定形结构与合成时的滴定速率密切相关，研究人员推测，这种低去除效率可能是快速合成速率造成的。

在这样的背景下，国内的研究人员决心深入探索，解开这些谜团。他们以国家重点研发计划为依托，开启了一项针对改进型无定形聚硫化铁（AIPS）固定 Cr (VI) 性能与机制的研究。这项研究成果发表在《Applied Geochemistry》上，为解决铬污染问题带来了新的曙光。

研究人员开展此项研究时，用到了几个关键技术方法。首先是材料合成技术，通过精确控制 CaS_x的滴定速率，用 CaS_x和 FeSO₄·7H₂O 合成了不同结构的 AIPS。其次，利用扫描电子显微镜（SEM）对 AIPS 的结构形态进行表征，观察不同合成速率下 AIPS 的微观特征。最后，借助反应性迁移模型，深入分析 AIPS 中不同成分对 Cr (VI) 还原的贡献以及反应过程。

下面来看看具体的研究结果：

• AIPS 结构形态受合成速率影响：研究人员对不同合成速率下的 AIPS 进行 SEM 表征。结果显示，随着合成速率减慢，AIPS 的团聚程度降低。合成最快的 AIPS - 1，其团聚体尺寸可达约 250μm；而合成最慢的 AIPS - 6，团聚体尺寸明显减小。这表明合成速率对 AIPS 的结构形态有着显著影响，较慢的合成速率有利于形成更分散的结构。
• 合成速率影响 AIPS 对 Cr (VI) 的去除能力：实验发现，不同合成速率的 AIPS 对 Cr (VI) 的去除能力差异巨大。滴定时间为 120min 合成的 AIPS 去除 Cr (VI) 的量为 81.9mg/g，是 6min 内合成的 AIPS（7.7mg/g）的 10.6 倍。其中，以最慢滴定速率合成的 AIPS - 6 表现最为突出，其对 Cr (VI) 的最大吸附容量达到 150.69mg/g。这充分说明，较慢的滴定速率能够显著提升 AIPS 对 Cr (VI) 的去除能力。
• AIPS 去除 Cr (VI) 的机制：借助反应性迁移模型，研究人员揭示了 AIPS 去除 Cr (VI) 的机制。AIPS 中的 FeS 和 FeS₂在 Cr (VI) 还原过程中发挥了重要作用，分别贡献了 85.01% 和 14.99% 的还原作用。而 Cr (VI) 还原过程中产生的副产物 FeS_x（x>2），却会阻碍 Cr (VI) 的进一步还原。此外，研究还发现，改进后的 AIPS 能够在较宽的 pH 范围内，以及离子和天然有机物（NOM）共存的复杂环境中，通过吸附、还原和沉淀等多种方式协同去除 Cr (VI)。

综合来看，这项研究得出的结论意义重大。它明确了合成速率对 AIPS 结构和去除 Cr (VI) 性能的影响规律，为实验室合理设计 AIPS 提供了关键的理论依据。研究揭示的 AIPS 去除 Cr (VI) 的机制，让人们对这一过程有了更深入的理解，有助于开发更高效的铬污染修复技术。在未来的地下水和土壤铬污染治理中，基于这些研究成果，有望开发出更具针对性和有效性的修复策略，为守护生态环境和人类健康筑牢防线。同时，该研究也为其他类似的污染治理研究提供了新思路和方法借鉴，推动了整个环境修复领域的发展。