铁基纳米网捕集技术：原位Fe(III)混凝高效去除水体纳米塑料污染

本研究针对传统混凝剂难以有效去除水体纳米塑料(NPs)的难题，提出了一种基于Fe(II)与过碳酸钠(SPC)原位氧化的新型混凝技术。通过调控Fe(III)沉淀物的纳米晶体结构，形成柔性纳米片状纤铁矿(γ-FeOOH)网络，实现了对NPs的高效包裹去除。该技术在不同天然水体中展现出优异的抗干扰能力，结合XDLVO理论和分子动力学模拟揭示了晶体结构差异对短程作用力的调控机制，为水处理工艺优化提供了新思路。

　　

塑料制品自19世纪中叶以来在全球范围内广泛应用，但其降解产生的纳米塑料(NPs)已成为严峻的环境污染问题。这些直径小于1微米的颗粒广泛存在于河流、湖泊甚至饮用水中，不仅威胁水生生态系统，还可能通过食物链进入人体，与阿尔茨海默病等神经退行性疾病相关。当前水处理厂普遍采用的铝/铁盐混凝工艺对NPs去除效率不足50%，主要受限于NPs的小尺寸、强电荷排斥力以及与传统混凝剂形成的松散絮体结构。如何通过工艺创新突破这一技术瓶颈，成为环境工程领域亟待解决的课题。

针对这一挑战，清华大学的研究团队在《Nature Communications》发表了一项突破性研究。该团队摒弃了传统添加有机助凝剂的思路，创新性地通过调控铁基絮体的纳米晶体结构，开发出基于Fe(II)与过碳酸钠(SPC)原位氧化的纳米网捕集技术。研究发现，与传统Fe(III)混凝形成的无定形纳米球不同，原位生成的纤铁矿纳米片能像"渔网"般完全包裹NPs，在天然水体中实现87%的去除率，且抗干扰能力显著提升。通过多尺度表征和理论计算，首次阐明了晶体结构差异通过改变短程作用力提升去除效率的分子机制，为发展高效水处理技术提供了全新范式。

研究团队采用三大关键技术方法：1) 光散射分析(PDA)实时监测絮体生长动力学；2) 同步辐射X射线吸收精细结构谱(EXAFS)解析铁氧化物局部配位环境；3) 分子动力学模拟结合XDLVO理论揭示NPs与不同晶型FeOOH的相互作用机制。实验用水包含人工配水和取自清河的实际水体，通过控制SPC/Fe(II)摩尔比(0-0.3)系统优化工艺参数。

Fe(II)-SPC混凝去除NPs的能力
通过光散射分析发现，Fe(II)-SPC形成的絮体平衡尺寸比传统Fe(III)絮体大40%，且形成时间缩短50%。当Fe:SPC=1:0.3时，NPs去除率从50%提升至87%，zeta电位从-43.9 mV升至近0 mV。絮体破碎-再生实验显示，原位Fe(III)絮体具有更强的结构恢复能力，剪切后NP释放量比传统Fe(III)减少60%。

混凝过程中形成的纳米网结构
FTIR和XPS分析表明，SPC氧化使NPs表面羧基含量增加35%。XRD显示Fe(II)-SPC絮体中纤铁矿结晶度达68%，显著高于Fe(III)絮体的无定形结构。TEM直观显示：传统Fe(III)形成的纳米球松散附着于NPs表面，而纤铁矿纳米片形成致密包裹层，电子衍射证实其具有(020)晶面择优取向。

原位Fe(III)在实际水体中的NPs去除效果
在含腐殖酸(HA)、富里酸(FA)和清河溶解性有机物(QH)的水体中，Fe(II)-SPC对NPs的去除率稳定在80%以上，抗干扰能力比传统混凝剂提高2-3倍。尺寸排阻色谱显示该工艺对>5000 Da大分子有机物去除率达75%，且氧化作用将20%大分子NOM降解为低分子量物质。成本分析表明，采用廉价FeSO₄可使处理成本降低40%。

基于XDLVO理论的纳米颗粒团聚分析
接触角测量发现NPs表面自由能(-81.72 mJ m^-2)显著低于FeOOH絮体(>0 mJ m^-2)。XDLVO计算显示纤铁矿-NPs体系在4.8 nm处存在-25 kT的能阱，而Fe(III)体系则呈现10 nm的能量屏障。O1s XPS证实SPC增加了絮体表面羟基空位比例，使酸-碱相互作用能(ΔG^AB)降低30%。

分子动力学模拟结果
以氧化聚苯乙烯(OPS)为模型分子，发现其与纤铁矿(110)面的结合自由能(-27.225 kJ mol^-1)是传统Fe(III)絮体的1.7倍。径向分布函数证实OPS通过1.8 ?的O...H-O氢键与纤铁矿形成内圈配位，而与传统Fe(III)絮体仅存在3.1 ?的外层水合作用。

这项研究开创性地提出了通过调控絮体纳米晶体结构来增强混凝效果的新策略。不同于传统工艺聚焦于混凝剂种类筛选，该工作从电子转移机制出发，利用SPC控制Fe(II)的原位氧化过程，成功将絮体形态从松散纳米球转变为柔性纳米片网络。这种"结构-性能"调控思路不仅解决了NPs去除难题，更为发展新型环境功能材料提供了理论指导。研究揭示的纤铁矿短程作用机制，对理解自然环境中铁循环与污染物迁移转化具有重要启示。该技术已在中国不同流域水体中验证其工程可行性，其低成本、高效率的特点使其具备大规模应用潜力，为应对全球塑料污染挑战提供了中国方案。