壳聚糖负载过碳酸钠微球在地下水修复中的应用研究

作者及发表信息

本研究由Jie Tang、Xin Gao、Yongchang Zhang、Xipeng Deng、Xin Liu、Dil Khurram和通讯作者Guo Liu合作完成，研究团队来自成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室及成都理工大学环境与生态学院水污染协同控制与联合修复国家环境保护重点实验室。研究成果发表于期刊Separation and Purification Technology（2025年，第361卷，文章编号131313）。

学术背景

本研究属于环境科学与工程领域，聚焦地下水有机污染修复技术。

研究背景：
过碳酸钠（Sodium Percarbonate, SPC）因其固态易储存、成本低（仅为液态H₂O₂的1/3）且pH适应范围广，被广泛用于地下水原位化学氧化修复。然而，SPC注入后快速溶解，释放的H₂O₂迅速分解，导致利用率低、持续性不足，难以应对污染物拖尾或浓度反弹问题。

研究目标：
开发一种壳聚糖（Chitosan, CS）负载的过碳酸钠缓释微球材料（CS@SPC），通过控制H₂O₂释放速率，提升SPC的利用效率与持久性，并探究其对典型有机污染物磺胺吡啶（Sulfapyridine, SPY）的降解性能及机制。

研究流程

1. CS@SPC缓释微球的制备

方法：
- 水相制备：将0.2 g SPC与1.0 g CS溶解于100 mL冰醋酸溶液中。
- 油相制备：将3 mL乳化剂Span80加入100 mL液体石蜡中。
- 乳化交联：将水相缓慢加入油相，40℃水浴乳化1小时，随后加入2 mL戊二醛交联5小时。
- 后处理：用石油醚和异丙醇反复洗涤离心，50℃烘干12小时。
创新点：
采用乳化-交联法，通过CS的微孔结构控制SPC的包载与释放，避免了传统石蜡黏合剂的环境不友好性。

2. 缓释性能测试

实验设计：
- 影响因素：温度（10℃、25℃、35℃）、pH（3–10）、共存离子（HCO₃⁻、Cl⁻、NO₃⁻、SO₄²⁻）及腐殖酸（Humic Acid, HA）。
- 动力学模型：采用零级、一级、Bhaskar和Higuchi模型拟合H₂O₂释放数据。
关键结果：
- 释放机制：符合Higuchi模型（R²>0.92），表明H₂O₂释放由CS微球的溶解-扩散控制。
- 温度影响：35℃时释放速率最高（84.3%），但高温加速H₂O₂分解，缩短缓释寿命（23天 vs 10℃的35天）。
- pH影响：酸性条件（pH=3）促进释放，但碱性条件因H₂O₂自分解加速而抑制释放。

3. SPY降解实验

方法：
- 批次实验：在含10 mg/L SPY的溶液中加入Fe²⁺（0–1 mM）和CS@SPC（0.2–1.0 g/L），测定不同条件下SPY去除率。
- 连续流柱实验：模拟实际地下水流动，比较SPC与CS@SPC的长期降解效能。
结果：
- 最佳条件：Fe²⁺=0.5 mM、CS@SPC=0.8 g/L时，SPY去除率达91.05%。
- 缓释优势：CS@SPC的降解寿命延长至72小时（SPC仅24小时），去除率提升35.8%。
- 抑制因素：HCO₃⁻和HA会竞争消耗·OH，使SPY降解率分别降低至79.83%和53.45%。

主要结论

1. 材料性能：CS@SPC通过Higuchi模型控制的缓释机制，显著延长H₂O₂作用时间（3倍于SPC），且pH适应性广（3–10）。
   
2. 降解效能：在连续流实验中，CS@SPC对SPY的去除率在144小时达92%，720小时仍保持75%，优于SPC的59%。
   
3. 环境意义：为解决地下水修复中氧化剂利用率低、污染物反弹问题提供了绿色可持续方案。
   

研究亮点

1. 材料创新：首次将CS作为SPC缓释载体，结合其生物相容性与环境友好性。
   
2. 机制解析：明确溶解-扩散两阶段释放机制，并通过SEM观察微球表面形貌变化验证。
   
3. 应用价值：在模拟流动地下水环境中验证了材料的长期有效性，为实际工程应用提供依据。
   

其他价值

• 对比研究：与Fe₂O₃-CoFe₂O₄@NC等材料相比，CS@SPC在宽pH范围内表现更稳定（Guo et al., 2024）。
  
• 数据可及性：研究数据可通过请求获取，支持后续研究复现与拓展。
  

（注：全文术语首次出现时标注英文，如“壳聚糖（Chitosan, CS）”）