多孔介质中绿锈-骨炭复合材料的迁移特性及其在氯代乙烯原位修复中的应用研究

针对氯代乙烯(CE)污染地下水修复难题，研究人员开发了绿锈(GR)与骨炭(BC)复合材料(GR-BC)，通过饱和砂柱实验系统探究其迁移保留机制，发现筛分预处理和羧甲基纤维素钠(CMC)修饰可显著提升颗粒迁移性，并建立新型迁移模型。该研究为GR-BC复合材料在含水层原位修复中的工程应用提供了关键理论支撑。

　　

氯代乙烯(Chlorinated ethylenes, CE)作为20世纪广泛使用的工业溶剂，因其环境持久性和致癌性已成为全球地下水系统的主要污染物。尽管零价铁(ZVI)等材料能有效还原脱氯，但其副反应会消耗还原能力。近年来研究发现，绿锈(Green rust, GR)与骨炭(Bone char, BC)复合材料(GR-BC)展现出优于ZVI的脱氯效率和电子选择性，但如何实现材料在含水层中的有效输送成为工程应用瓶颈。

为攻克这一难题，丹麦创新基金资助的GreenCat项目团队在《Journal of Contaminant Hydrology》发表重要研究。通过系统设计饱和砂柱实验，研究人员首次揭示了GR-BC复合材料的迁移规律：筛分预处理可移除大粒径颗粒/聚集体，使穿透率提升3倍；羧甲基纤维素钠(Carboxymethyl cellulose, CMC)修饰通过静电排斥和空间位阻效应稳定颗粒；提高注入速率(0.5-2.0 mL/min)或入口浓度(0.1-0.4 g/L)可显著增强迁移性。实验证实GR能作为"锚点"促进BC迁移，二者可形成稳定的异质聚集体(Hetero-aggregates)。

关键技术方法包括：1) 厌氧条件下合成硫酸盐型GR(GR_SO4)；2) 采用动态光散射(DLS)和ζ电位分析表征颗粒特性；3) 设计多组砂柱实验(长度20 cm，粒径0.2-0.8 mm)研究Q_inj和C₀的影响；4) 建立考虑连续保留位点亲和力的新型迁移模型。

【合成与表征】
X射线衍射(XRD)证实合成的GR以GR_SO4(Fe²⁺_(6-x)Fe³⁺_x(OH)₁₂)^x+为主相，BC表面羧基含量达1.8 mmol/g。CMC修饰使ζ电位从+12 mV降至-35 mV，显著增强胶体稳定性。

【迁移行为】
在0.1 g/L C₀和1 mL/min条件下，筛分后GR-BC的穿透率从25%提升至75%。高流速(2 mL/min)使BC迁移率提高40%，证实流体剪切力可抑制聚集体形成。

【模型开发】
新建模型引入连续亲和位点理论，成功预测80%实验数据趋势，但对初期突破曲线拟合存在偏差，表明需进一步考虑聚集体动态变化。

该研究突破性地解决了GR-BC复合材料在细砂含水层中的输送难题，证实通过物理筛分和化学修饰可协同调控颗粒迁移性。所建模型为现场注入方案设计提供了量化工具，推动CE污染修复从实验室走向工程应用。特别值得注意的是，GR与BC的协同迁移机制为多组分环境功能材料的设计提供了新思路，其"载体-活性组分"的相互作用模式可拓展至其他污染修复体系。研究团队建议后续开展三维砂箱实验，进一步验证材料在非均质介质中的迁移规律。