负载型纳米零价铁治理污染物的研究进展

张宇洲（四川大学 建筑与环境学院，四川 成都 610065）

负载型纳米零价铁治理污染物的研究进展

张宇洲（四川大学 建筑与环境学院，四川 成都 610065）

负载型纳米零价铁是一种在环境治理方面有良好前景的材料。本文介绍了负载型纳米零价铁性材料的特点，对所能处理的污染物做出了概括，最后做出了展望，以期为今后制备负载型纳米零价铁提供参考。

负载；纳米零价铁；污染控制

水中的各种污染物一直环境治理的重点，对于其中一些污染物质，如难降解有机物、重金属等，若采用常规的物理或化学法存在投资昂贵、需要有复杂设备条件，若采用微生物则存在其生存条件要求较高，并且对以上这些物质降解效率较低的缺点。纳米零价铁（Zero-Valent Iron Nanoparticles，ZVINs）是指粒径在1～100nm范围内的零价铁颗粒，由于其颗粒尺寸处于纳米量级，量子效应开始影响到物质的性能和结构[1]，因而有较大的比表面积、较强的还原性能。但是单纯的纳米零价铁易团聚、易被氧化、难回收[2]，并且不易与非亲水性物质接触，导致零价铁的利用率较低。将纳米零价铁负载到活性炭、树脂、沸石、高岭土等上后制得的负载型纳米零价铁，能使纳米零价铁均匀的分布到载体上，抑制团聚和氧化的发生，并且通过载体的协同吸附作用，增加与污染物质的接触，进而使降解效率提高。

1 负载型纳米零价铁对有机物的治理

纳米零价铁具有很强的还原性，而氯代有机物和硝基有机物的电负性较强，因此很适合用纳米零价铁材料进行处理。Xiao等[3]将多壁炭纳米管（MWCNT）分散到PVA/PAA中，经过热处理制得复合炭纳米管，再通过液相还原法制得负载零价铁材料，由于MWCNT的加入使得零价铁材料有较高的机械强度和拉伸强度，其处理三氯乙烯的效率可达93%。Ling等[4]在自制中孔炭上利用湿式浸渍法负载纳米零价铁，通过XRD、N2吸脱附曲线和TEM观察到负载后的中孔炭较负载前比表面积和孔容有所下降，但是远高于普通纳米零价铁，并且零价铁的粒径也更小，均匀的分布在中孔炭的表面，将其用于处理水中的硝基苯，可将其逐步降解为亚硝基氨、苯胲和苯胺，并且处理效率远高于单纯中孔炭和一般的纳米零价铁。Saad等[5]将纳米零价铁负载与纳米硅结构SBA-15上后用于降解硝化甘油，通过表征发现ZVINs/SBA-15的比表面积达到275.1 m2/g，硅结构上的Si-OH基团改善了零价铁的分散性，使80%的零价铁均匀的负载于硅结构的外壁上，相对未负载零价铁在使用时会产生NO2-，ZVINs/SBA-15能将硝化甘油完全降解为NH3-和甘油，减少对环境的危害。

2 负载型纳米零价铁对无机物的治理

纳米铁治理无机物污染物主要通过还原和吸附作用。郭晶晶[6]利用蒙脱土和FeCl3制作蒙脱石负载纳米零价铁材料处理水中的铅，其SAED结果表明颗粒内含有α-Fe，EDX和TEM结果表明负载后的纳米零价铁颗粒外有一层3nm厚的氧化层，使得零价铁颗粒在室温下稳定存在，这种复合材料处理含铅水样时，将0.02mg样品加入初始浓度为50mg/L的水样中，30min就基本达到平衡，处理效率达到96%，其处理过程主要为吸附和还原作用：

其中生成的FeOOH能大量吸附铅，配合载体的吸附性能，使吸附效果提升，其吸附动力学符合准二级反应模型。Petala 等[7]用中孔硅MCM-41负载纳米零价铁处理含铬水样，其穆斯堡尔谱的结果表明负载的纳米零价铁为核—壳结构，壳由铁的氧化物和氢氧化物组成，并且发现纳米铁颗粒的粒径对还原Cr6+有重要影响，小粒径颗粒的反应活性较高，反应后形成铁-铬氢氧化物，防止零价铁被进一步氧化，并且这种氧化物也能吸附水中的铬离子，吸附实验结果表明，该负载型零价铁对Cr6+的动力学符合准一级动力学模型，处理效率远高于普通纳米零价铁。韩东等[8]用藻酸钠微胶囊负载纳米零价铁材料M-NZVI对水中不同浓度的As5+进行吸附去除研究，结果表明在中性条件下，M-NZVI投加量为2g/L时对5 mg/L的As5+的去除率为

90.35 %，并且在30min可达到吸附平衡，同时发现溶液中NaCl的含量对砷的去除有较大的影响，M-NZVI不做任何处理可重复利用3～4次。除了上述这些重金属离子，其他的无机污染物如NO3－，ClO4－，通过发生如下反应：

也能被零价铁还原，而通过将零价铁负载于载体上后，不仅能提高处理效率，而且便于回收重复利用。

3 展望

纳米零价铁是一种很有前景的材料，能应用于环境中许多污染物治理中，通过将其负载于各种载体上，能改变零价铁易团聚、易被氧化的缺点。但就目前看来，负载型零价铁的制备工艺比较繁琐，并且都需要厌氧条件，因此开发出一条经济可行、适合规模化生产的生产路线势在必行。

[1]卓成林，伍明华.纳米材料在环境保护方面的最新应用进展[J].化工时刊.2004,18(3):5-7.

[2]俞恬，张巍，贾楠，等.负载纳米零价铁复合材料去除COCs的研究进展[J].环境科学与技术.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]张群.微波对活性炭的改性及再生研究[D].浙江大学, 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.蒙脱石/零价铁纳米复合材料修复水体重金属污染效率及机理研究[D].内蒙古大学,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]韩东，鲁婷婷，叶长城，等.海藻酸钠微胶囊负载纳米铁吸附水中的As(Ⅴ)[J].环境工程学报.2015,9(8):3795-3802.