纳米零价铁（nanoscale zero-valent iron，nZVI）是近年来研究最多的纳米材料之一，其具有较小的尺寸（5~70 nm），较大的比表面积和极强的还原性，可以在地下水中长时间悬浮并去除其中的污染物，多被用于直接输送到污染源进行原位修复^〔1〕。然而，地下水环境十分复杂，即使在理想的流动条件下，nZVI在实验室规模相对均匀的多孔介质中的运输也会发生聚集和沉积^〔2〕。

研究表明^〔2〕，nZVI颗粒团聚是造成其迁移性降低的重要原因。nZVI颗粒本身带有磁性，易聚集、氧化。聚集会增加nZVI颗粒尺寸，从而降低扩散系数^〔3〕，导致颗粒团聚。而团聚体具有较大的粒径，在多孔介质迁移过程中，易发生位点阻塞现象^〔4〕；并且nZVI在水中厌氧腐蚀形成的氧化产物也会通过沉降、吸附等作用降低其迁移性能^〔2〕。实际地下水环境十分复杂，nZVI的沉降和迁移能力受到诸多因素影响。目前，关于nZVI材料的沉降和迁移性能的研究多集中在水质条件、水文参数方面，比如pH^〔1〕、离子强度^〔5〕、腐殖酸（HA）^〔6〕等，而对于地下水中天然存在的土著微生物的影响鲜见报道。本研究以氢自养反硝化细菌（HTB）为微生物的代表，通过静态沉降实验，考察了不同水质条件下，HTB对nZVI沉降性的影响，以期为nZVI在地下水修复中的实际应用提供理论参考。

试剂：FeSO₄·7H₂O、KBH₄、NaOH、KCl、CaCl₂、聚乙二醇（PEG-400）、无水乙醇、腐殖酸（HA），均为分析纯。

仪器：D-7401型电动搅拌器，天津市华兴科学仪器厂；T6型紫外-可见分光光度计，北京普析通用仪器有限责任公司；AUY 220型电子天平，日本岛津制作所。

依据参考文献〔7〕合成nZVI。称取1.112 g FeSO₄·7H₂O溶于6 mL去离子水中，再称取2 g PEG-400溶于24 mL无水乙醇中，然后将上述2种溶液混合置于三口烧瓶中，以800 r/min搅拌均匀。向20 mL 0.02 mol/L的KBH₄溶液中加入1 mL 0.5 mol/L的NaOH溶液，混合均匀后，逐滴滴加到装有FeSO₄溶液的三口烧瓶中，整个过程在氮气保护下进行。反应结束后，使用磁铁收集黑色沉淀物，然后分别用去离子水和乙醇洗涤3次，得到nZVI颗粒。该颗粒呈球状团簇结构，粒径比较均匀，在100 nm左右。

称取2 g nZVI颗粒置于100 mL容量瓶中，使用无氧水定容。超声30 min后，制成nZVI悬浮液使用。

Alcaligeneseutrophus购自中国工业文化收藏中心（北京）。本研究采用嵌套桶培养箱作为厌氧培养的装置，如图1所示。培养箱内装有5 L培养液，其成分为50 mL微量元素溶液、15.000 g/L NaHCO₃、3.036 g/L NaNO₃和0.975 g/L KH₂PO₄。微量元素溶液成分与参考文献〔8〕的描述相同。嵌套桶内装有5 g铁粉（0.048 mm）和200 mL盐酸（1 mol/L）以产生氢气。将该装置中的HTB在室温下培养。使用比浊法，在420 nm下测定细菌的吸光度值（OD₄₂₀=0.006 3~0.006 8），用以监测细菌的生长情况。

采用0.5 g/L nZVI悬浮液，以HA、K⁺和Ca²⁺为变量，通过改变水质条件进行静态沉降实验。使用紫外-可见分光光度计于508 nm波长处测定悬浮液的吸光度。初始吸光度为A₀，随时间变化测定的实时吸光度为A_x，以时间为横坐标，实时吸光度与初始吸光度的比值（A_x/A₀）为纵坐标，使用Origin 9.0绘制A_x/A₀随时间变化的数据图，考察HTB在HA、K⁺和Ca²⁺存在下对nZVI材料的沉降性的影响。

向nZVI悬浮液中分别加入1/6、1/3和1/2的HTB，即在50 mL比色管中分别加入8、16、25 mL的菌液，考察HTB浓度对nZVI沉降性的影响，结果如图2所示。

由图2可知，nZVI颗粒在前10 min的沉降速率较快，随着时间的推移，沉降速率逐渐减慢。添加HTB以后，可有效抑制nZVI的沉降，但随着HTB浓度的增加，对nZVI的沉降抑制作用减弱。当添加1/6 HTB和1/3HTB时，nZVI能保持更好的悬浮性。这可能是因为HTB改变了nZVI的团聚状态，增加了悬浮颗粒之间的斥力。K. H. Shin等^〔9〕的研究表明，微生物的加入会增加铁腐蚀产氢的速率，催化铁的腐蚀反应。当添加1/2HTB时，由于HTB浓度过大，其与nZVI表面的接触面积增大，导致nZVI厌氧腐蚀生成大分子的铁矿类物质。因此，细菌浓度过大，对nZVI沉降的抑制作用不明显。

向nZVI悬浮液中加入不同浓度的HA，考察HA浓度对nZVI沉降性的影响，结果如图3所示。

由图3可知，随着HA浓度的增加，HA对nZVI沉降的抑制作用增强。这是因为HA大分子和nZVI表面之间存在排斥电动势，可以改变颗粒的表面电化学性质，增强nZVI颗粒的空间稳定性^〔10〕，减少纳米粒子的聚集。但当HA质量浓度达到20 mg/L时，HA对nZVI沉降的抑制作用减弱。这可能是因为HA浓度过大，nZVI的吸附位点几乎被全部占据，未吸附的HA大分子通过分子间作用，导致nZVI颗粒更快地聚集和沉降。当HA质量浓度为10 mg/L时，可以增强nZVI颗粒的悬浮性，从而增强其迁移能力。

向nZVI悬浮液中加入1/3HTB和不同浓度的HA，考察HTB在不同浓度HA下对nZVI沉降性的影响，结果如图4所示。

由图4可知，当体系中HA质量浓度分别为10、15、20 mg/L时，HTB对nZVI沉降的抑制作用较强，其中HA质量浓度为10 mg/L时，HTB对nZVI沉降的抑制作用最强。HA可以吸附在nZVI表面，通过静电排斥降低nZVI与细菌细胞壁之间的相互作用^〔11〕，从而减少了细菌与nZVI颗粒的接触，降低了HTB对nZVI颗粒的厌氧腐蚀程度。

向nZVI悬浮液中加入不同浓度的K⁺和Ca²⁺，考察不同离子强度对nZVI沉降性能的影响，结果如图5所示。

由图5（a）可知，nZVI在前10 min内的沉降速率较快，之后趋于稳定。在体系中添加K⁺可促进nZVI的沉降，且随着K⁺浓度的增加，nZVI的沉降速率加快。由图5（b）可知，Ca²⁺对nZVI的沉降亦有促进作用，在前5 min内有明显的沉降，且Ca²⁺浓度越大，对nZVI沉降的促进作用越大。高浓度的离子强度会降低nZVI表面双电层的厚度，降低其稳定性而引起nZVI颗粒的聚集，进而导致nZVI颗粒的沉降^〔12〕。K⁺和Ca²⁺都能促进nZVI的沉降，但Ca²⁺对nZVI沉降的促进作用比K⁺更明显。这是因为阳离子盐类的价态也会影响nZVI的稳定性和迁移性^〔5〕。阳离子价态越高，对nZVI悬浮稳定性的破坏越大。

向nZVI悬浮液中加入1/3HTB和不同浓度的K⁺和Ca²⁺，考察HTB在不同离子强度下对nZVI的沉降性能的影响，结果如图6所示。

由图6（a）可知，当K⁺质量浓度为3、6 mmol/L时，nZVI悬浮液能保持较高的稳定性，当K⁺质量浓度为9 mmol/L时，nZVI颗粒的沉降速率加快。这可能是因为在低浓度离子条件下，HTB对nZVI沉降的影响占主要因素；在高浓度离子条件下，HTB对nZVI沉降的抑制作用减弱，而K⁺对nZVI沉降的促进作用增强。由图6（b）可知，在Ca²⁺存在下，HTB对nZVI的沉降有明显的促进作用，且随着Ca²⁺浓度的增加，促进作用增强。这可能是因为HTB可加速nZVI在水中的厌氧腐蚀，使溶液中生成了大量的OH^-，其与Ca²⁺发生反应，加速了nZVI的沉降。

本研究采用液相还原法合成了nZVI材料，并以HA、K⁺和Ca²⁺模拟水质条件，考察了HTB在不同水质条件下对nZVI沉降性的影响，实验结果如下：

（1）K⁺和Ca²⁺对nZVI的沉降具有促进作用，离子浓度越小，对nZVI沉降的促进作用越小，Ca²⁺对nZVI沉降的促进作用比K⁺强。K⁺浓度为3、6 mmol/L时，HTB对nZVI的沉降具有抑制作用；在不同浓度Ca²⁺条件下，HTB对nZVI的沉降均有促进作用。阳离子价态越高，对nZVI悬浮稳定性的破坏越大。

（2）HTB、HA作为单因素存在时，其对nZVI的沉降具有抑制作用，当加入1/3HTB，HA质量浓度为10 mg/L时，都能使nZVI悬浮液的稳定性增强。HTB和HA对nZVI沉降的抑制具有协同作用，在10 mg/L HA的条件下，1/3HTB对nZVI沉降的抑制效果更为显著。