核壳结构nZVI@NC作为可扩展PRB填料通过协同吸附修复PFOA污染地下水的研究

本刊推荐：本研究创新性地采用无溶剂机械球磨-热解法制备氮掺杂碳稳定纳米零价铁（nZVI@NC），成功构建核壳结构材料解决传统渗透性反应墙（PRB）填料易团聚、钝化难题。该材料展现卓越的全氟辛酸（PFOA）吸附能力（162 mg/g），柱实验证实其在实际地下水环境中保持61.3%去除率，通过XPS、SEM-EDS与AIMD模拟揭示物理-化学双阶段吸附机制，为可持续原位修复提供高性能技术方案。

　　

Highlight

本研究开发了一种基于nZVI的创新高性能填料nZVI@NC，通过整合干法球磨与碳热还原的可扩展方法合成，形成氮掺杂碳（NC）基质封装良好分散nZVI颗粒的核壳结构。主要创新包括：（1）实现稳定nZVI复合材料规模化生产的新合成策略；（2）通过核壳限制增强nZVI分散性与稳定性的独特架构；（3）阐明PFOA双阶段吸附机制：快速物理捕获（孔隙扩散/静电相互作用）后通过Fe-COO^-络合实现稳定化学固定，经XPS、SEM-EDS和AIMD模拟验证。

Conclusions

本研究表明，通过无溶剂机械化学与碳热还原路线合成的nZVI@NC可作为修复PFOA污染地下水的高效可扩展PRB填料。该材料呈现核壳结构，nZVI纳米颗粒均匀封装于氮掺杂碳基质中，有效防止团聚与钝化同时增强反应活性。162 mg/g的卓越PFOA吸附能力凸显其巨大潜力。柱实验证明在模拟PRB环境中具有持续去除效能（初始进流0.1 mg/L，达西流速0.81 m/天），实际地下水保持61.3%去除率。机理研究揭示双相吸附过程：初始快速阶段由静电相互作用与孔隙扩散驱动，后续缓慢阶段涉及PFOA分子向碳基质深层扩散并通过羧基与铁表面形成稳定络合。该工作为设计可持续原位修复技术提供重要指导，推动nZVI@NC作为实际地下水净化应用的高性能填料。