硫化纳米零价铁中硫形态对一价铊去除的调控机制及微电池效应研究

针对工业废水中高毒性Tl(I)去除难题，研究人员通过调控硫化纳米零价铁(S-nZVI)表面FeSx层的硫形态，发现富含S0的S0@nZVI对Tl(I)去除率高达98%（180分钟），其核心机制在于Fe0-S0微电池效应驱动的Fe-S-Tl沉淀形成，为重金属废水处理材料设计提供了新思路。

　　

【研究背景】
铊(Tl)作为与汞毒性相当的稀有重金属，在铅锌冶炼废水中浓度可达5-6 mg/L，而我国排放标准严苛至2-5 μg/L。其中一价铊(Tl(I))因高溶解度和迁移性成为主要治理难点。虽然硫化纳米零价铁(S-nZVI)在Cr(VI)、Cd(II)等重金属去除中表现优异，但其对Tl(I)的去除效能与机制尚属空白。更关键的是，S-nZVI表面FeS_x层包含FeS、FeS₂、S⁰等多种硫形态，不同形态通过沉淀、电子传递等不同机制影响重金属去除，但何种硫形态主导Tl(I)去除仍不明晰。

【技术方法】
湖南教育部门支持的研究团队通过四种后硫化方法（添加Fe²⁺/Fe³⁺、缓冲溶液调节pH等）制备了S⁰@nZVI、FeS@nZVI等样品，结合吸附动力学/等温线模型、TEM/XRD表征及控制实验，系统考察了硫形态-性能关系。

【研究结果】

1. Assessment of the Tl(I) removal ability among S-nZVI samples
   S⁰@nZVI在180分钟内Tl(I)去除率高达98%，显著优于FeS@nZVI（9%）、FeS_n@nZVI（15%）和FeS₂@nZVI（10%）。XPS证实其表面S⁰含量达42.5%，而其他样品均低于15%。

2. Characterization of the micro-galvanic cell effect
   TEM显示S⁰@nZVI具有核壳结构（Fe⁰核心+S⁰外壳），电化学测试证实其腐蚀电流密度（38.7 μA/cm²）是FeS@nZVI的3倍，表明S⁰与Fe⁰形成强微电池效应，持续生成Fe²⁺和低价硫物种，进而与Tl(I)形成Fe-S-Tl三元沉淀。

3. Environmental factor analysis
   在pH 3-11范围内，S⁰@nZVI保持>90%去除率；20-50℃温度升高促进反应；长期暴露实验表明其稳定性可持续30天。

【结论与意义】
该研究首次揭示S-nZVI中S⁰物种通过微电池效应驱动Tl(I)高效去除的机制，突破了传统硫化物沉淀或电子转移机制的认知局限。Nuo Li、Zhu bohong等团队提出的硫形态调控策略，为设计靶向重金属处理材料提供了新范式，尤其适用于严苛排放标准的Tl污染治理。《Journal of Hazardous Materials》发表的这项成果，不仅填补了S-nZVI在Tl(I)去除领域的研究空白，更为复杂硫化学体系在环境修复中的应用开辟了新路径。