負載型納米Fe0的合成及應(yīng)用綜述

郭穎慧

摘 要：目前，納米Fe0由于易團聚、易氧化、易造成二次污染而受到應(yīng)用限制。該文總結(jié)了負載型納米Fe0的合成方法并對其優(yōu)缺點進行比較，綜述了不同多孔材料負載納米Fe0在環(huán)境治理方面的應(yīng)用，并針對當(dāng)前研究現(xiàn)狀的不足，提出了改進的展望。

關(guān)鍵詞：負載 納米Fe0 制備 應(yīng)用

中圖分類號：X703.1

文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）10（b）-0024-02

相較于微米Fe0，納米Fe0比表面積大，粒徑小，表面活性高，具有較強的還原性，可有效地轉(zhuǎn)移和降解多種常見的環(huán)境污染物，如重金屬、氯代有機物、硝酸鹽等。但納米Fe0因具有鐵磁性而易團聚成鏈狀，極易被氧化且易造成二次污染，從而導(dǎo)致其移動性和反應(yīng)活性相應(yīng)降低，以至處理效率降低。為了解決這些不足，可通過制成納米雙金屬、多孔材料負載以及表面改性進行修飾。該文就多孔材料負載，綜述不同多孔材料負載納米Fe0的合成以及其在環(huán)境治理方面的應(yīng)用。

1 合成方法及特性

負載型納米Fe0的合成方法主要有初濕含浸法、液相還原法、氣溶膠法、電化學(xué)沉積法、碳熱法以及軟模板一步合成法。液相還原法是在無氧環(huán)境下利用強還原劑還原得到負載型納米Fe0，其活性高，但成本偏高且會產(chǎn)生大量的H2，限制了工業(yè)化應(yīng)用。電化學(xué)沉積法是利用外加電壓恒電流電解，得到沉積在載體表面的納米Fe0。該法的優(yōu)勢在于不需昂貴的還原劑且儀器簡單，故工藝成本低，利于工程應(yīng)用。復(fù)合材料上的納米Fe0晶體密度高、孔隙率小、雜質(zhì)少。但納米Fe0主要在載體表面，故較易氧化。碳熱法多用于以碳材料為載體時，是利用碳的高溫?zé)徇€原性，得到Fe0/AC。此法的副產(chǎn)物為氣體，易于分離，反應(yīng)吸熱，故易于形成規(guī)模化、連續(xù)化的生產(chǎn)，且納米Fe0與碳載體結(jié)合程度高，故不易脫落，其缺點在于碳材料在高溫下易造成結(jié)構(gòu)塌陷，從而改變其孔隙分布。

2 負載型納米Fe0的應(yīng)用

納米Fe0可與鈀、銀、鉑、鎳等過渡金屬一同負載在載體上，以增加復(fù)合材料的活化特性，其常用的載體可主要分為碳材料、硅基材料、無機粘土礦物、高分子聚合物膜材料4類。

碳材料是最為常見的載體材料，其比表面積大，孔結(jié)構(gòu)多樣，且具有良好的熱穩(wěn)定性和吸附性能。周娟娟等以椰殼活性炭為載體，采用電沉積法負載納米Fe0，并探究其對模擬地下水中As（III）的去除效果，發(fā)現(xiàn)最佳條件下去除率大于90%[1]。曾淦寧等以銅藻基活性炭為載體，采用初濕含浸法制備負載型納米Fe0，發(fā)現(xiàn)該材料可通過吸附和還原作用，將水中Cr（Ⅵ）充分去除[2]。

二氧化硅微球用作載體的優(yōu)勢在于良好的熱穩(wěn)定性、生物相容性和無毒性。Qiu Xinhong等在中孔二氧化硅微球上負載納米Fe0，發(fā)現(xiàn)該復(fù)合材料可有效地在常溫常壓下去除四氫呋喃溶液的十溴聯(lián)苯醚，且穩(wěn)定性良好[3]。陳心儀通過熱還原法制得納米Fe0/有序中孔硅，并將其用于苯酚的非均相芬頓催化，發(fā)現(xiàn)該其具有較高的催化活性和穩(wěn)定性[4]。朱曄以有序介孔硅基材料SBA-15為載體，采用等體積浸漬-焙燒-氫氣氣相還原法負載納米Fe0，該材料對硝基苯具有良好的降解效果[5]。

納米Fe0可均勻分布在聚合物膜材料內(nèi)部，可有效抑制其因團聚而使尺寸增大，污染物與高活性納米Fe0充分接觸，故降解率得到提高。Li Shujing等利用液相還原法得到NZVI-PAA/PVDF，且該材料最大吸附容量可達181 mg Cr/g Fe[6]。Yang Jiacheng等進一步發(fā)現(xiàn)該材料可較好地用于處理水中的甲硝銼[7]。

粘土礦物多為層狀結(jié)構(gòu)，粒徑小，吸附性能好，且成本低。常用作納米Fe0載體的粘土礦物有蒙脫石、膨潤土、海泡石、凹土等。程偉等以有機膨潤土為載體負載納米Fe0，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)2 h后四氯乙烯被完全降解[8]。Shi Li'na等進一步用該材料處理水中的Cr（VI），發(fā)現(xiàn)最佳條件下去除率可達99%[9]。

除了上述的幾類載體，果膠、纖維素、藻酸鹽珠等天然高分子化合物，與沸石、樹脂、高分子聚合物、金屬氧化物、石墨等也常作納米Fe0的負載材料。

3 總結(jié)及展望

綜上所述，不同類型的多孔材料均可很好地負載納米Fe0，有效改善其團聚，且其分散較均勻、穩(wěn)定、活性高，對污染物也具有很好的降解性能。但仍存在以下問題有待解決。

（1）制備過程均要求無氧條件，成本較高。

（2）污染物的降解多停留在實驗室階段，并無工業(yè)化應(yīng)用；且大多只針對單一污染物，很少涉及對多種污染物復(fù)雜體系的處理；多用于水體中污染物的處理，而針對土壤中污染物的降解的研究較少。

（3）污染物降解的作用機理的研究還不夠透徹。

總之，負載型納米Fe0在常見環(huán)境污染物降解方面具有良好的應(yīng)用前景，通過優(yōu)化負載方法、聯(lián)合其他治理技術(shù)等，進一步探索污染物的降解機制，促進負載型納米Fe0的實際應(yīng)用，真正有效地在環(huán)境污染修復(fù)方面發(fā)揮作用。

參考文獻

[1] 周娟娟，李戰(zhàn)軍.活性炭/納米零價鐵復(fù)合吸附劑的制備及對砷的去除應(yīng)用[J].環(huán)境科學(xué)與管理，2012（10）：106-108.

[2] 曾淦寧，武曉，鄭林，等.負載納米零價鐵銅藻基活性炭的制備及其去除水中Cr（Ⅵ）的研究[J].環(huán)境科學(xué)，2015（2）：530-536.

[3] Qiu Xinhong，F(xiàn)ang Zhangqiang，Liang Bin，et al.Degradation of decabromodiphenyl ether by nano zero-valent iron immobilized in mesoporous silica microspheres[J].Journal Hazard Mater，2011（193）：70-81.

[4] 陳心儀.載鐵有序介孔硅的合成及其在非均相芬頓催化中的應(yīng)用[D].南京理工大學(xué)，2014.

[5] 朱曄.NZVI/SBA-15復(fù)合材料的合成及其對水中硝基苯去除機理研究[D].南京理工大學(xué)，2012.

[6] Li Shujing，Li Tielong，Xiu Zongming，et al.Reduction and immobilization of chromium（vi） by nano-scale Fe0 particles supported on reproducible PAA/PVDF membrane[J].Journal of Environmental Monitoring，2010，12（5）：1153.

[7] Yang Jiacheng，Wang Xiangyu，Zhu Minping，et al.Investigation of PAA/PVDF-NZVI hybrids for metronidazole removal：Synthesis， characterization，and reactivity characteristics[J].Journal of Hazardous Materials，2014（264）：269-277.

[8] 程偉，盛國棟，劉進軍，等.有機膨潤土負載納米零價鐵去除廢水中的四氯乙烯研究[J].安全與環(huán)境學(xué)報，2015（6）：228-232.

[9] Shi Li'na，Li yuman，Zhang Xin，et al.Synthesis， characterization and kinetics of bentonite supported nZVI for the removal of Cr（VI） from aqueous solution[J].Chemical Engineering Journal，2011，171（2）：612-617.