纳米水铁矿(Fh-NPs)调控铜(II)在高岭石多孔介质中迁移的定量预测与分子机制

针对土壤中胶体颗粒如何定量影响重金属迁移的难题，研究人员通过高岭石包被砂柱实验，揭示了纳米水铁矿(Fh-NPs)对Cu(II)迁移的双重调控作用。研究发现Fh-NPs通过形成双齿双核内圈络合物显著增强Cu(II)滞留（滞留因子提高1.19-1.52倍），建立的定量模型与实验数据高度吻合（0.0044–0.0170 mg g-1）。该研究为优化污染物迁移模型和修复策略提供了分子尺度依据。

　　

土壤重金属污染是当前全球面临的重大环境挑战，其中铜(Cu)作为采矿、冶炼等工业活动的典型副产物，其迁移行为直接威胁农作物安全和人体健康。传统观点认为重金属仅通过土壤溶液迁移，但越来越多的证据表明，胶体颗粒如纳米水铁矿(Fh-NPs)会通过表面吸附显著改变重金属的迁移路径。然而，胶体介导的重金属迁移过程始终缺乏定量预测模型，且分子层面的作用机制尚不明确。这些认知空白严重制约了环境风险精准评估和修复策略制定。

针对这一科学难题，国家自然科学基金资助的研究团队在《Journal of Hazardous Materials》发表了创新性成果。研究通过高岭石包被砂柱模拟土壤多孔介质，结合同步辐射光谱技术，首次实现了Fh-NPs影响Cu(II)迁移的定量解析。关键技术包括：1）微波退火法合成3-5 nm的Fh-NPs；2）柱实验测定Cu(II)突破曲线；3）化学连续提取法分析形态分布；4）扩展X射线吸收精细结构(EXAFS)光谱解析分子构型。

【Effect of Fh-NPs on Cu(II) transport in kaolinite–sand】
突破曲线显示，Fh-NPs使Cu(II)在pH 3.0-5.5条件下的平均滞留时间从66.39-118.5分钟延长至91.45-180.6分钟，滞留因子提升1.19-1.52倍。理论模型计算的Cu(II)吸附量(0.0042–0.0166 mg g^-1)与实验值(0.0044–0.0170 mg g^-1)高度吻合。

【Conclusion】
研究揭示Fh-NPs对Cu(II)迁移具有"双刃剑"效应：游离态Fh-NPs促进迁移，而固定态则通过更强的表面络合作用抑制迁移。EXAFS证实Fh-NPs表面形成Cu-Fe双齿双核内圈络合物（键长比Cu-Al/Si更短），这是吸附稳定性提升的结构基础。

该研究开创性地建立了胶体-重金属-介质三相作用的定量预测框架，为发展智能环境模型和靶向修复技术提供了分子尺度依据。特别是提出的滞留因子校正方法，可直接应用于污染场地风险评估系统，对实现"精准治污"具有重要实践价值。