腐殖酸对水饱和填充柱中钒氧化物纳米颗粒迁移行为的影响机制研究

本研究针对钒氧化物纳米颗粒(VOx NPs)在环境中的迁移行为受有机质影响机制不明的关键问题，通过饱和含水层模拟实验，系统探究了腐殖酸(HA)浓度梯度(0.1-1 mg C/L)对V2O5、VO2和V2O3 NPs迁移的影响规律。结合XDLVO理论计算与HYDRUS-1D模型，首次揭示了HA通过改变颗粒-介质能量屏障调控VOx NPs环境归趋的机制，为纳米材料环境风险评估提供了新依据。

　　

钒作为重要的微量元素，在自然界广泛分布的同时，其纳米颗粒(VOx NPs)在工业生产中的释放正引发新的环境健康隐患。研究表明，V₂O₅ NPs在3.6 μg/mL浓度即可对A549细胞产生毒性，而VO₂ NPs更能在实验动物肺部引发持续炎症反应。这些直径不足100纳米的颗粒物，如何在水环境中迁移扩散？作为环境介质中无处不在的"干扰因子"，腐殖酸(HA)会如何改写它们的命运轨迹？中国地质大学（北京）的研究团队在《Journal of Hazardous Materials》发表的研究，为这一环境行为谜题提供了系统解答。

研究团队采用饱和柱实验结合多尺度模拟技术：通过SEM/TEM表征NPs形貌特征，利用XDLVO理论计算颗粒-介质相互作用能垒，采用HYDRUS-1D进行双点位动态吸附建模，结合Parti-Suite软件模拟颗粒运动轨迹，并创新性地应用MMS方程量化平流、弥散等动力因素的相对贡献。

【Synthesis and characterization】部分显示，水热法合成的VOx NPs具有明确晶面结构，HR-TEM测得V₂O₅(110)、VO₂(101)和V₂O₃(113)晶面间距分别为0.34 nm、0.32 nm和0.22 nm。

【Physicochemical characteristics】证实低浓度HA(0.1 mg C/L)会通过表面吸附增加VOx NPs（尤其是VO₂）在石英砂中的截留率，而浓度升至0.5-1 mg C/L时，静电排斥和空间位阻效应占主导，使NPs迁移率提升37%-52%。实际含水层介质中，0.5 mg C/L HA使V₂O₃ NPs穿透时间缩短41%。

【Conclusions】指出HA浓度依赖性调控机制：低浓度时通过羧基络合增强NPs沉积，高浓度时形成立体保护层。MMS方程解析显示，当HA≥0.5 mg C/L时，结合力对迁移的贡献率从28%降至9%，而平流作用占比升至67%。

该研究首次阐明HA-VOx NPs相互作用的浓度阈值效应，建立的"能量屏障-运动轨迹-动力学贡献"多维度解析框架，为预测纳米污染物环境行为提供了方法论创新。特别是发现VO₂ NPs在低HA环境中的异常滞留现象，提示该类颗粒在近污染源区的累积风险需重点关注。这些发现不仅完善了纳米颗粒环境行为理论，更对制定基于有机质调控的纳米污染修复策略具有重要指导价值。