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亮點
•綜述了用於硫酸根自由基高階氧化法(SR-AOPs)土壤修復中的各種鐵基催化劑。
•鐵基催化劑在SR-AOPs土壤修復中具有相當大的潛力。
•分析了鐵基催化劑去除土壤中汙染物的機理。
•SR-AOPs處理後，土壤性質受到的不利影響。
•介紹了鐵基催化劑在SR-AOPs土壤修復中的應用。
研究進展
壤中多種有機汙染物的積累對生態系統和人類健康構成巨大威脅。因其環境友好、易得、成本低等特點，零價鐵催化劑、氧化鐵催化劑和負載型鐵基催化劑等被廣泛應用於硫酸根自由基高階氧化工藝(SR-AOPs)的土壤修復中。近年來，利用鐵基催化劑SR-AOPs對汙染土壤中有機汙染物的降解/礦化引起了人們的關注。該工藝有助於加速汙染物的轉化，有助於持續性修復以及適應複雜的土壤環境。本文重點介紹了SR-AOPs修復有機汙染土壤中的鐵基催化劑的研究進展。綜述了土壤修復中過硫酸鹽活化的一般過程和自由基的產生。討論了SR-AOPs處理后土壤理化性質(如有機質、天然礦物、pH值和微生物群落)的變化。從汙染物、催化劑和土壤相互作用的角度深入研究了鐵基催化劑在SR-AOPs土壤修復中的應用情況。最後，提出了鐵基催化劑SR-AOPs在土壤修復應用中存在的挑戰。
圖文導讀
圖1 SEM影象(a)nZVI;(b)c-nZVI;(c)mZVI;(d)-(h)與PS反應不同時間後的ZVI表面
圖2 鐵基活化過硫酸鹽對土壤環境潛在負面影響示意圖
圖3 HM(第一行)和HA(第二行)在土壤系統中Fe2+/PS氧化過程中的SEM影象(0,30,120min)
圖4 (a)不同催化劑活化o-NCB的降解效率;(b)表面活性劑促進過硫酸鹽氧化的機理;(c)實驗EK細胞示意圖;(d)CuFe2O4@BC催化劑活化PS降解o-NCB可能機理
結論與展望
本文介紹了鐵基催化劑在SR-AOPs土壤修復中的應用，綜述了鐵基催化劑的種類和性質，並對其均相和非均相活化機理進行了探討。考慮到土壤環境的複雜性以及汙染土壤的再開發和再利用，本文分別分析了鐵基活性過硫酸鹽對土壤環境的影響（包括：SOM、礦物質、pH和微生物群落）。結果表明：(1)用於土壤修復SR-AOPs中的鐵基催化劑主要包括零價鐵、鐵氧化物和負載型鐵基催化劑。一般來說，奈米ZVI有利於向土壤中注入活化劑，同時奈米ZVI提供了較大的比表面積和更多的活化位點。PS活化常用的氧化鐵主要是指土壤中的一些礦物質。不同鐵礦物的化學組成和晶體結構會影響其穩定性和活化效率。負載型鐵基催化劑具有較大的表面積和分散的活性位點，表現出優異的效能;(2)Fe2+可以直接啟用PS，而Fe3+只能透過還原反應間接啟用PS。一旦形成Fe3+/Fe2+的氧化還原迴圈，PS的活化就會加快。此外，修復系統中自由基型別受pH值和溶解氧的影響。非均相鐵基活化體系主要透過釋放Fe2+、吸附汙染物、直接還原等方式降解汙染物;(3)研究處理前後土壤SOM、NOM、pH和微生物群落的變化。4個指標均受到不同程度的負面影響，導致土壤結構和質量發生變化。鐵基催化劑因其成本低、天然丰度高、無毒等優點，已成為土壤環境原位修復SR-AOPs的高效催化劑。雖然近年來對SR-AOPs中鐵基催化劑的研究有所增加，但實際應用還很遙遠。基於以上研究，在以下幾個方面需要加強關注：
(i)在目前的研究中，鐵基催化劑在SR-AOPS中用於原位土壤環境修復的應用相對較少，這導致了參考的範圍和引數有限。此外，大多數研究人員傾向於使用人工汙染的土壤進行實驗。然而在修復長期汙染土壤時，需要考慮土壤的吸附和汙染物的轉化，這將極大地影響降解效能。根據相關文獻，大多數研究都是透過批次實驗來評價PS活化鐵基催化劑對有機汙染土壤的修復效果。柱狀條件和中試條件下的土壤修復研究較少，制約了該技術的實際發展。
(ii)未來研究的一個重點是考慮除有機汙染物外的其他汙染物(如：重金屬、微塑膠等)對修復效果的影響。有機物、金屬或微塑膠汙染物可能共存於場地，而該地被認為是（使用鐵基活化PS處理有機汙染物）原位化學氧化法可以修復的場所。除了作為共汙染物存在，金屬也可以自然地存在於土壤中，其濃度和程度取決於原位修復場地的地質條件。微塑膠作為有機汙染物的載體，加劇了複合汙染物的生物毒性。在上述地點使用SR-AOPs是值得懷疑的。一方面，新增的試劑和相關的反應過程可能改變地下的基線地球化學，影響金屬的遷移。另一方面，微塑膠作為有機物的吸附載體，使得SR-AOPs系統更難去除有機汙染物。
(iii)需要進一步研究評價過硫酸鹽和鐵基催化劑對土壤理化性質的影響，並平衡該技術在土壤原位修復中的效益和環境風險。應長期監測和控制土壤強度、孔隙流體中硫酸鹽離子濃度、土壤成分變化，這可以為土壤的修復、再開發以及汙染土壤在各種工程中的再利用做出重要貢獻，實現社會的可持續和低碳發展。
(iv)開發更多低成本、高效、環保的鐵基催化劑來啟用PS，這對SR-AOPs的實際應用有意義。例如，在原位化學氧化中關於磁性鐵基催化劑活化PS方面的研究很少。可以合理推測，如果進一步提高催化劑的磁性效能，未來可以實現磁選和再迴圈。但鐵基材料回收利用的可行性仍有待進一步研究。此外，考慮到大規模整治的經濟問題，垃圾(如鋼塵)再利用應是切入點之一。
文章來源：生態環境科學
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