随着工业的快速发展,对能源的需求日益增多。核能作为我国能源结构中传统能源的一个重要替代品,铀矿的开采和放射性核废料处置过程中产生的污染物不可避免的进入水体和土壤中,对生态环境和人类健康造成危害。其中,铀一个典型放射性元素,它具有潜在的致癌性和毒性。此外,随着工业生产的快速进行,铬在各种工业生产如颜料、油漆、皮革鞣制、不锈钢和电镀等活动中应用越来越广泛,导致了铬的大量释放。重金属离子与放射性核素相似,在水体中常常以无机金属离子状态存在,均具有高毒性、持久性、难降解等特点。随着放射性核素和重金属离子铬的持续释放,将逐渐增加两种类型污染物共存统一水体的风险。因此,如何将这些有害离子从水体中富集并移除是当前研究的热点和难点。由于铀(U(Ⅵ))在自然水体中的主要存在形态为阳离子(UO22+),而铬(Cr(Ⅵ))主要为阴离子(CrO42-、HCrO4-等),开发一种对两种离子有协同去除效果的纳米材料具有重要意义。此外,U(Ⅵ)和Cr(Ⅵ)均属有高毒性的高价氧化型离子,能够被还原为低价低毒状态(其中低价态的铬主要是Cr(Ⅲ),而低价态的铀主要是U(Ⅳ))。因此,开展对U(Ⅵ)和Cr(Ⅵ)的高效吸附-还原去除研究具有重要意义。铁基纳米材料中Fe具有0、+2和+3三种常见价态,其中0和+2价铁离子均具有较强的还原性,能够有效实现U(Ⅵ)和Cr(Ⅵ)的吸附-还原。此外铁基材料具有良好的磁性,能够实现金属离子富集后的高效磁分离。因此本文选取纳米零价铁(Nanosized Zero Valent Iron,NZVI)、氧化铁(Fe3O4)和硫化铁(Fe7S8)三种典型铁基纳米材料为代表,以热电厂固体废弃物粉煤灰(Carbon Fly Ash,CFA)和低成本粘土矿物沸石(MCM-41)为支撑材料,采取不同方法制备了多种铁基纳米复合材料,实现了水体中U(Ⅵ)和Cr(Ⅵ)的高效去除。采取多种表征手段对铁基纳米材料的界面特性和组成结构进行了表征分析,研究了时间、温度、pH、离子强度等环境因素对U(Ⅵ)和Cr(Ⅵ)去除的影响。通过批实验研究结果结合先进光谱技术表征和DFT理论计算,系统研究了铁基纳米复合材料对U(Ⅵ)和Cr(Ⅵ)的还原/吸附去除和微观作用机制。本文主要研究成果和创新点如下:(1)实验结果表明,Fe3O4、Fe3O4/CFA、NZVI/CFA 和 Fe7S8对 U(Ⅵ)均呈现了良好的去除效果,其中Fe7S8对U(Ⅵ)的去除能力最强,在pH=5.0和T=298K条件下为1.48mmol/g,其次分别为 Fe3O4/CFA>NZVI/CFA>NZVI。在 Cr(Ⅵ)的去除研究中,NZVI、NZVI/MCM和Fe7S8均呈现了较好的效果,其中Fe7S8对Cr(Ⅵ)的去除量在 pH=5.0 和 T=298K 条件下为 9.84mmol/g,其次为 NZVI/MCM>NZVI。Fe3O4和NZVI与粉煤灰和沸石复合后,分散性和活性均明显提高,对U(Ⅵ)或Cr(Ⅵ)的去除能力也明显提高。复合材料不仅改变了铁基材料的分散性和活性,还为污染物的吸附提供了更多的结合位点,协同铁基纳米材料实现U(Ⅵ)和Cr(Ⅵ)的高效去除。(2)在Fe3O4/CFA和NZVI/CFA去除U(Ⅵ)的研究中,U(Ⅵ)的去除率在低pH值下受pH影响较大,而受离子强度影响较小,说明低pH下Fe304/CFA和NZVI/CFA对U(Ⅵ)吸附主要以内层表面络合为主。在较高pH条件下,Fe3O4/CFA对U(Ⅵ)的去除受离子强度影响较大,而NZVI/CFA对U(Ⅵ)的去除受离子强度影响较小,说明Fe3O4/CFA去除U(Ⅵ)主要以静电引力和氢键为主,而NZVI/CFA去除U(Ⅵ)主要以静电作用和物理吸附为主。(3)密度泛函理论计算(DFT)结果表明,U(Ⅵ)(UO22+)和U(Ⅳ)(UO2)均能与氧化铁(Fe3O4)形成稳定的络合物,结合能分别为2.86eV和5.32eV。Fe3O4与U(Ⅳ)的络合能力比与U(Ⅵ)的更强,说明U(Ⅵ)还原为U(Ⅳ)有助于提升其去除率。NZVI、NZVI/CFA和Fe7S8均能够有效的还原U(Ⅵ)并实现其高效去除。通过对比分析MCM-41、NZVI和NZVI/MCM去除Cr(Ⅵ)的X射线近边吸收光谱(X-ray absorption near-edge structure spectroscopy,XANES),发现 MCM-41 上 Cr 的结合光谱与Cr(Ⅵ)的特征光谱一致,NZVI/MCM上的与Cr(Ⅲ)的特征光谱一致,而NZVI上共存Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)特征光谱,说明NZVI和NZVI/MCM均可以还原Cr(Ⅵ),而复合材料对Cr(Ⅵ)的还原去除能力均大于NZVI和MCM-41。结果表明,通过吸附-还原的方式对高价态高毒性U(Ⅵ)和Cr(Ⅵ)的污染治理是一个行之有效的方法。(4)X 射线吸收荧光光谱(X-ray Absorption Fluorescence Spectroscopy,XAFS)表征结果表明,NZVI/MCM样品上的Cr(Ⅵ)存在Cr-O配位(1.99 A),Cr-Cr/Fe配位(3.02 A)和 Cr-Al/Si 配位(3.65 A),说明 NZVI/MCM 材料上 MCM-41 和Fe均可以与Cr(Ⅵ)结合,实现对Cr(Ⅵ)的协同去除。同样的,在NZVI/CFA和Fe3O4/CFA对U(Ⅵ)的去除研究中,也证实了复合材料对U(Ⅵ)的去除率显著高于NZVI或Fe3O4,这一结果跟复合材料各组分之间的协同去除作用有关。(5)除了复合材料各组分间对U(Ⅵ)和Cr(Ⅵ)的协同去除作用外,我们研究了阴离子Cr(Ⅵ)和阳离子U(Ⅵ)同时存在时在Fe3O4和Fe7S8纳米材料上的协同去除。研究发现,Cr(Ⅵ)的添加能够显著提升Fe3O4和Fe7S8对U(Ⅵ)的去除率,而U(Ⅵ)的添加同样可以提升Fe7S8对Cr(Ⅵ)的去除率。该结论说明纳米复合材料可以有效的实现阳离子型U(Ⅵ)与阴离子型Cr(Ⅵ)的协同去除,在环境污染治理中具有较好的应用前景。(6)研究表明,NZVI、NZVI/MCM、Fe3O4和Fe7S8均显示出了对Cr(Ⅵ)产生了不同程度的还原/吸附。在U(Ⅵ)的去除研究中,NZVI、NZVI/CFA和Fe7S8均对U(Ⅵ)产生了还原/吸附,而Fe3O4在Cr(Ⅵ)存在时也对U(Ⅵ)产生了吸附/还原。铁基纳米材料对U(Ⅵ)和Cr(Ⅵ)的吸附/还原具有良好的应用前景。(7)铁基纳米材料中具有还原能力的组分分别为Fe0和Fe(Ⅱ)。而在硫化铁(Fe7S8)中,S(-Ⅱ)和S(Ⅳ)对U(Ⅵ)和Cr(Ⅵ)的还原起重要作用。综上所述,本文制备了不同铁基纳米材料及其复合材料制备,研究了复合材料各组分间的协同作用,结合静态实验、理论计算和先进光谱表征探讨了铁基纳米材料对阳离子型U(Ⅵ)和阴离子型Cr(Ⅵ)的去除机制。该研究从多角度证实了铁基纳米材料尤其是铁基纳米复合材料和硫化铁纳米材料对U(Ⅵ)和Cr(Ⅵ)的高效还原和吸附能力,是一类有前途的放射性核素及重金属离子污染治理的材料。该论文对高价态的放射性核素和重金属离子的原位还原-吸附固定和去除污染治理,具有重要的意义。