負(fù)載型納米零價鐵治理污染物的研究進展

張宇洲（四川大學(xué) 建筑與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610065）

負(fù)載型納米零價鐵治理污染物的研究進展

張宇洲（四川大學(xué) 建筑與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610065）

負(fù)載型納米零價鐵是一種在環(huán)境治理方面有良好前景的材料。本文介紹了負(fù)載型納米零價鐵性材料的特點，對所能處理的污染物做出了概括，最后做出了展望，以期為今后制備負(fù)載型納米零價鐵提供參考。

負(fù)載；納米零價鐵；污染控制

水中的各種污染物一直環(huán)境治理的重點，對于其中一些污染物質(zhì)，如難降解有機物、重金屬等，若采用常規(guī)的物理或化學(xué)法存在投資昂貴、需要有復(fù)雜設(shè)備條件，若采用微生物則存在其生存條件要求較高，并且對以上這些物質(zhì)降解效率較低的缺點。納米零價鐵（Zero-Valent Iron Nanoparticles，ZVINs）是指粒徑在1～100nm范圍內(nèi)的零價鐵顆粒，由于其顆粒尺寸處于納米量級，量子效應(yīng)開始影響到物質(zhì)的性能和結(jié)構(gòu)[1]，因而有較大的比表面積、較強的還原性能。但是單純的納米零價鐵易團聚、易被氧化、難回收[2]，并且不易與非親水性物質(zhì)接觸，導(dǎo)致零價鐵的利用率較低。將納米零價鐵負(fù)載到活性炭、樹脂、沸石、高嶺土等上后制得的負(fù)載型納米零價鐵，能使納米零價鐵均勻的分布到載體上，抑制團聚和氧化的發(fā)生，并且通過載體的協(xié)同吸附作用，增加與污染物質(zhì)的接觸，進而使降解效率提高。

1 負(fù)載型納米零價鐵對有機物的治理

納米零價鐵具有很強的還原性，而氯代有機物和硝基有機物的電負(fù)性較強，因此很適合用納米零價鐵材料進行處理。Xiao等[3]將多壁炭納米管（MWCNT）分散到PVA/PAA中，經(jīng)過熱處理制得復(fù)合炭納米管，再通過液相還原法制得負(fù)載零價鐵材料，由于MWCNT的加入使得零價鐵材料有較高的機械強度和拉伸強度，其處理三氯乙烯的效率可達93%。Ling等[4]在自制中孔炭上利用濕式浸漬法負(fù)載納米零價鐵，通過XRD、N2吸脫附曲線和TEM觀察到負(fù)載后的中孔炭較負(fù)載前比表面積和孔容有所下降，但是遠高于普通納米零價鐵，并且零價鐵的粒徑也更小，均勻的分布在中孔炭的表面，將其用于處理水中的硝基苯，可將其逐步降解為亞硝基氨、苯胲和苯胺，并且處理效率遠高于單純中孔炭和一般的納米零價鐵。Saad等[5]將納米零價鐵負(fù)載與納米硅結(jié)構(gòu)SBA-15上后用于降解硝化甘油，通過表征發(fā)現(xiàn)ZVINs/SBA-15的比表面積達到275.1 m2/g，硅結(jié)構(gòu)上的Si-OH基團改善了零價鐵的分散性，使80%的零價鐵均勻的負(fù)載于硅結(jié)構(gòu)的外壁上，相對未負(fù)載零價鐵在使用時會產(chǎn)生NO2-，ZVINs/SBA-15能將硝化甘油完全降解為NH3-和甘油，減少對環(huán)境的危害。

2 負(fù)載型納米零價鐵對無機物的治理

納米鐵治理無機物污染物主要通過還原和吸附作用。郭晶晶[6]利用蒙脫土和FeCl3制作蒙脫石負(fù)載納米零價鐵材料處理水中的鉛，其SAED結(jié)果表明顆粒內(nèi)含有α-Fe，EDX和TEM結(jié)果表明負(fù)載后的納米零價鐵顆粒外有一層3nm厚的氧化層，使得零價鐵顆粒在室溫下穩(wěn)定存在，這種復(fù)合材料處理含鉛水樣時，將0.02mg樣品加入初始濃度為50mg/L的水樣中，30min就基本達到平衡，處理效率達到96%，其處理過程主要為吸附和還原作用：

其中生成的FeOOH能大量吸附鉛，配合載體的吸附性能，使吸附效果提升，其吸附動力學(xué)符合準(zhǔn)二級反應(yīng)模型。Petala 等[7]用中孔硅MCM-41負(fù)載納米零價鐵處理含鉻水樣，其穆斯堡爾譜的結(jié)果表明負(fù)載的納米零價鐵為核—殼結(jié)構(gòu)，殼由鐵的氧化物和氫氧化物組成，并且發(fā)現(xiàn)納米鐵顆粒的粒徑對還原Cr6+有重要影響，小粒徑顆粒的反應(yīng)活性較高，反應(yīng)后形成鐵-鉻氫氧化物，防止零價鐵被進一步氧化，并且這種氧化物也能吸附水中的鉻離子，吸附實驗結(jié)果表明，該負(fù)載型零價鐵對Cr6+的動力學(xué)符合準(zhǔn)一級動力學(xué)模型，處理效率遠高于普通納米零價鐵。韓東等[8]用藻酸鈉微膠囊負(fù)載納米零價鐵材料M-NZVI對水中不同濃度的As5+進行吸附去除研究，結(jié)果表明在中性條件下，M-NZVI投加量為2g/L時對5 mg/L的As5+的去除率為

90.35 %，并且在30min可達到吸附平衡，同時發(fā)現(xiàn)溶液中NaCl的含量對砷的去除有較大的影響，M-NZVI不做任何處理可重復(fù)利用3～4次。除了上述這些重金屬離子，其他的無機污染物如NO3－，ClO4－，通過發(fā)生如下反應(yīng)：

也能被零價鐵還原，而通過將零價鐵負(fù)載于載體上后，不僅能提高處理效率，而且便于回收重復(fù)利用。

3 展望

納米零價鐵是一種很有前景的材料，能應(yīng)用于環(huán)境中許多污染物治理中，通過將其負(fù)載于各種載體上，能改變零價鐵易團聚、易被氧化的缺點。但就目前看來，負(fù)載型零價鐵的制備工藝比較繁瑣，并且都需要厭氧條件，因此開發(fā)出一條經(jīng)濟可行、適合規(guī)模化生產(chǎn)的生產(chǎn)路線勢在必行。

[1]卓成林，伍明華.納米材料在環(huán)境保護方面的最新應(yīng)用進展[J].化工時刊.2004,18(3):5-7.

[2]俞恬，張巍，賈楠，等.負(fù)載納米零價鐵復(fù)合材料去除COCs的研究進展[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù).2016(1):44-52.

[3]Xiao S,Shen M,Guo R,et al.Fabrication of multiwalled carbon nanotube-reinforced electrospun polymer nanofibers con?taining zero-valent iron nanoparticles for environmental applica?tions[J].Journal of Materials Chemistry.2010,20(27):5700-5708.

[4]張群.微波對活性炭的改性及再生研究[D].浙江大學(xué), 2006.

[5]Dabek L.Sorption of zinc ions from aqueous solutions on regenerated activated carbons.[J].Journal of Hazardous Materials. 2003,101(2):191-201.

[6]郭晶晶.蒙脫石/零價鐵納米復(fù)合材料修復(fù)水體重金屬污染效率及機理研究[D].內(nèi)蒙古大學(xué),2014.

[7]Petala E,Dimos K,Douvalis A,et al.Nanoscale zero-va?lent iron supported on mesoporous silica:characterization and reac?tivity for Cr(VI)removal from aqueous solution[J].Journal of Haz?ardous Materials.2013,261(13):295.

[8]韓東，魯婷婷，葉長城，等.海藻酸鈉微膠囊負(fù)載納米鐵吸附水中的As(Ⅴ)[J].環(huán)境工程學(xué)報.2015,9(8):3795-3802.