流速与颗粒浓度对土壤中氧化锌和氧化铜纳米颗粒共迁移行为的影响机制研究

本研究针对工业排放导致的nZnO和nCuO纳米颗粒土壤共污染问题，通过柱实验与数学模型揭示了异质聚集(heteroaggregation)对两者迁移的抑制作用。研究发现nCuO因更强的颗粒-砂粒亲和力及异质聚集体中更高占比而滞留更显著，且迁移抑制程度随流速和nZnO:nCuO浓度比(2:1>1:2>1:1)变化。该成果为评估纳米颗粒复合污染的地下水风险提供了理论依据。

　　

随着纳米技术在工业、医疗等领域的广泛应用，氧化锌(nZnO)和氧化铜(nCuO)纳米颗粒正通过废水排放和产品废弃等途径进入土壤环境。这两种颗粒不仅常被联合用于抗菌材料（如纺织品）和半导体掺杂，还具有相似的毒性效应——包括诱发氧化应激和细胞毒性。更令人担忧的是，现有研究多聚焦单一纳米颗粒的迁移行为，而对实际环境中更常见的复合污染场景缺乏认知。当nZnO与nCuO共存时，它们是否会像"磁铁相吸"般形成更大的异质聚集体(heteroaggregates)，从而改变各自的迁移命运？这个问题直接关系到如何准确评估其对地下水的污染风险。

印度理工学院海得拉巴分校(Indian Institute of Technology Hyderabad)的研究团队在《Journal of Contaminant Hydrology》发表的研究，通过13组饱和砂柱实验结合创新性数学模型，首次系统揭示了环境因素对nZnO-nCuO共迁移行为的影响规律。研究人员采用150μm-1.18mm石英砂模拟土壤环境，通过调节流速(0.25-1.5 cm/min)和注入浓度比(1:1、1:2、2:1)，结合ICP-AES(电感耦合等离子体原子发射光谱)检测技术定量颗粒迁移量。关键突破在于开发了双向耦合数学模型，首次将异质聚集动力学与颗粒-砂粒相互作用机制整合建模。

个体迁移行为差异
单独迁移时，nZnO与nCuO的穿透曲线显示前者迁移性更强。模型参数反演表明，nCuO在砂粒表面的可逆沉积速率常数(k_att1)是nZnO的2.3倍，这与其更高的表面亲和力相符。

共迁移的抑制效应
当两种颗粒共存时，穿透曲线出现显著延迟，nCuO的滞留量比单独迁移时增加37%-52%。异质聚集体的平均粒径达单体颗粒的4.8倍，导致其通过孔隙时产生更强的机械筛分(straining)效应。

流速与浓度比的影响
在0.25 cm/min低流速下，nZnO-nCuO(1:1)的联合回收率仅38%，而1.5 cm/min时升至67%。当nZnO占比提高至2:1时，nCuO滞留量下降19%，反映主导颗粒对沉积位点的竞争效应。

模型验证与机制解析
新模型成功预测了所有实验场景(R²>0.91)，揭示异质聚集速率常数(k_het)与流速呈负相关。敏感性分析表明，当nCuO占比>60%时，异质聚集体沉积主导迁移阻滞。

这项研究不仅首次量化了nZnO-nCuO共迁移的协同阻滞效应，其建立的耦合模型更为预测复杂纳米颗粒混合物的环境行为提供了普适性工具。值得注意的是，研究发现nCuO在复合污染中表现出"牺牲式保护"特性——通过优先滞留降低整体污染扩散风险，这对设计基于金属氧化物纳米颗粒的缓释环境修复剂具有启示意义。随着《纳米材料环境安全管理条例》在多国酝酿，该成果为制定针对纳米复合污染物的土壤地下水质量标准提供了关键科学依据。