納米零價(jià)鐵在水污染控制中的研究

1、姓名：王欣姓名：王欣學(xué)號(hào)：學(xué)號(hào)：SA14019019SA14019019日期：日期：2015-06-262015-06-26納米零價(jià)鐵在水污染控制中的研究進(jìn)展在20世紀(jì)80年代末，納米鐵顆粒作為一種有效的脫鹵還原劑受到人們關(guān)注。納米鐵其最大的優(yōu)勢(shì)在于顆粒比表面積大比表面積大，反應(yīng)活性高反應(yīng)活性高，降解污染物的速率十分快速。特別是在污染物濃度較低的情況下，納米鐵對(duì)污染物的去除率大大高于普通鐵粉。 背 景納米鐵粉比表面積粒徑為10nm的鐵微粒的比表面積為 33.5m2g，鐵粉的比表面積僅為0.9m2g，兩者相差達(dá)37倍之多。 直徑直徑5mm微孔展開(kāi)表面積微孔展開(kāi)表面積為為400平方米平方米納米鐵的

2、主要制備方法 蒸發(fā)凝聚法蒸發(fā)凝聚法 濺射法濺射法 高能球磨法高能球磨法 活性氫活性氫- -熔融金屬反應(yīng)法熔融金屬反應(yīng)法 液相還原法液相還原法 氣相還原法氣相還原法蒸發(fā)凝聚法 （又稱低壓凝聚法 ） 加熱源： 1）電阻加熱；2）等離子噴射加熱；3）高頻感應(yīng)加熱；4）電子束加熱；5）激光加熱；6）電弧加熱；7）微波加熱。 制備方法：在超真空(10 -4Pa)蒸發(fā)室內(nèi)引入低壓(110 -4Pa)的惰性氣體(氦或氬)，將金屬鐵加熱，使之氣化蒸發(fā)產(chǎn)生原子霧，原子霧再與惰性氣體碰撞失去能 量，驟冷后形成納米級(jí)鐵顆粒。 優(yōu)點(diǎn)：純度高，粒徑小，粒徑分布窄，團(tuán) 聚性能差，粒度容易控制等特點(diǎn)。缺點(diǎn)：技術(shù)設(shè)備要求高溫

3、，操作不安全。蒸發(fā)凝聚法 制備方法：用兩塊金屬板分別作為陽(yáng)極和陰極，陰極為蒸發(fā)用的材料，在兩電極間充入Ar氣（40-250Pa），兩電極間施加的電壓范圍為0.3-1.5KV。由于兩電極間的輝光放電形成了Ar正電離子，在電場(chǎng)的作用下Ar離子沖擊陰極靶材表面，使靶材原子從其表面蒸發(fā)出來(lái)形成超微粒子。蒸發(fā)原子被隋性氣體冷卻而凝結(jié)形成納米粒子。濺射法濺射法 優(yōu)點(diǎn)：不需要坩堝；蒸發(fā)材料(靶)放在什么方位 都可以；可以具有很大的蒸發(fā)面納米鐵粉 的平均粒徑小、產(chǎn)品純度高。 缺點(diǎn)：消耗能量大，成本高。制備方法：利用介質(zhì)和物料之間的相互研磨和沖擊使物料粒子粉碎，經(jīng)幾百小時(shí)的球磨，可使小于lm的粒子達(dá)到20。高能

4、球磨法高能球磨法優(yōu)點(diǎn)：產(chǎn)量高，工藝簡(jiǎn)單，成本低，容易實(shí)現(xiàn)產(chǎn) 業(yè)化，非常適合脆性金屬材料的制備。 缺點(diǎn)：易引入雜質(zhì)，顆粒分布不均勻；磨機(jī)結(jié)構(gòu) 復(fù)雜，有許多易磨損部件。 制備方法：含有氫氣的等離子體與金屬間產(chǎn)生電弧，使金 屬熔融，電離的N2, Ar等氣體（惰性氣體）和H2溶入熔融金屬，然后釋放出來(lái)，在氣體中形成了金屬的超微粒子，用離心收集器，過(guò)濾式收集器使微粒與氣體分離而獲得納米微粒。 超微粒的生成量隨等離子氣體中的氫氣濃度增加而上升。 活性氫-熔融金屬反應(yīng)法多級(jí)氫電弧等離子體反應(yīng)裝置該設(shè)備是崔作林、張志焜自行設(shè)計(jì)研制出的、具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的我國(guó)首臺(tái)可連續(xù)工作的氫電弧等離子體納米材料制備設(shè)備。氣相

5、還原法制備方法：主要是由H2或CO還原固態(tài)金屬鐵鹽。用H2在 N2氣氛中還原FeCl2nH2O 制備-Fe 納米粉末。 優(yōu)點(diǎn)：鐵晶粒徑分布均勻，產(chǎn)物單一，結(jié)晶好， 顆粒粒度小(可達(dá)310nm)，純度高缺點(diǎn)：設(shè)備要求較高，操作有難度。液相還原法制備方法：液相還原法指溶液中的金屬Fe鹽在強(qiáng)還原劑 （KBH4，NaBH4等）的作用下，還原為單質(zhì) 金屬鐵粒子。Fe2+/(Fe3+) +BH4-+H2OFe+B(OH)3+ H2優(yōu)點(diǎn): 原理簡(jiǎn)單，組分容易控制，設(shè)備簡(jiǎn)單，可操作性 強(qiáng)。生產(chǎn)成本低缺點(diǎn)：粒徑分布不均勻，容易發(fā)生團(tuán)聚，洗滌過(guò)程很 容易發(fā)生氧化納米鐵在水處理中的應(yīng)用概況v去除有毒金屬v去除有機(jī)鹵

6、代物 v去除水中無(wú)機(jī)離子v含氮污染物v納米鐵脫色去除有毒金屬 機(jī) 理 納米鐵顆粒吸 附氧化還原有毒金屬如鉛、砷、汞、鉻等減輕 去除納米鐵顆粒降低污染物毒性5倍鐵屑或鐵粉去除有機(jī)鹵代物 納米鐵能有效降解一系列常見(jiàn)鹵代烴有機(jī)污染物，包括氯代烴、氯化苯、農(nóng)藥、三鹵甲烷、氯化乙烯及其他多氯碳?xì)浠衔锏取?作用作用機(jī)理機(jī)理1. 鐵直接將表面電子轉(zhuǎn)移至有機(jī)氯化物使之脫氯2. 鐵腐蝕產(chǎn)生的Fe2+還原作用使部分有機(jī)氯化物脫氯3.鐵反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣可使鹵代烴還原（水作為電子接受體）4.是吸附作用去除水中無(wú)機(jī)離子 納米鐵去除硝酸鹽的原理主要是氧化還原作用和吸附作用，而其降解動(dòng)力學(xué)尚未有定論，有學(xué)者認(rèn)為其反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

7、與FeN比值有關(guān)。研究表明，實(shí)驗(yàn)室自制納米鐵粒子具有很高的活性，無(wú)需控制PH值即可與硝酸鹽迅速完全反應(yīng)，效果遠(yuǎn)優(yōu)于普通零價(jià)鐵。含氮污染物 NZVI對(duì)硝酸鹽的去除主要是利用其大的比表面積和高活性，在無(wú)pH控制的地下水封閉厭氧體系中，使用NZVI還原硝酸鹽的終產(chǎn)物以氨氮為主，占90，同時(shí)有部分氮?dú)馍a(chǎn)。由于氨氮的產(chǎn)生，反應(yīng)結(jié)束后溶液pH值變大，在910之間。反應(yīng)方程式如下：v4Fe0+NO3-+10H+4NH4+4 Fe2+3 H2OvFe0+ NO3-+2H+NO2-+ Fe2+3 H2Ov5Fe0+2 NO3-+12H+N2-+5 Fe2+6 H2Ov2.82Fe0+ 0.75NO3-+ 0.

8、75Fe2+2.25 H2ONH4+1.19Fe2O3+0.5OH- NZVI對(duì)有機(jī)氮的去除反應(yīng)機(jī)理可表示為： RNO2+3Fe0+6H+RNH2+3Fe2+H2O。納米鐵脫色 目前偶氮染料的大量研究表明：當(dāng)零價(jià)鐵在適當(dāng)條件下與染料溶液接觸時(shí)。染料分子中的偶氮鍵將發(fā)生斷裂，破壞原染料的發(fā)色基或助色基，從而失去發(fā)色能力，達(dá)到脫色目的。 降解偶氮染料示意圖注：pH值在脫色過(guò)程中發(fā)揮重要作用提高納米零價(jià)鐵穩(wěn)定性1. 納米雙金屬的應(yīng)用v對(duì)于應(yīng)用雙金屬型納米零價(jià)鐵來(lái)去除水中的鹵代有機(jī)化合物，這樣的研究比較多，而對(duì)于研究的對(duì)象也是比較寬廣的。v雙金屬型納米零價(jià)鐵來(lái)降解有機(jī)鹵代污染物的機(jī)理兩種理論：v1）鐵

9、本身作為活潑金屬，在自然界中存在，很容易發(fā)生氧化反應(yīng)。v2）鐵本身作為一種過(guò)渡金屬，它擁有自身的空電子軌道，能夠與溶液中的有機(jī)化合污染物形成一種復(fù)雜的過(guò)渡類化合物。v 通過(guò)研究對(duì)比發(fā) ，這兩個(gè)機(jī)理雖然表面上存在著差異，但是對(duì)于雙金屬型納米零價(jià)鐵去除有機(jī)鹵代污染物主要反應(yīng)過(guò)程都是脫鹵加氫的這樣一個(gè)實(shí)質(zhì)性的過(guò)程從表可以看出，氯烷烴、溴烷烴、多氯聯(lián)苯和氯烯烴等有機(jī)污染物都能夠被雙金屬型納米零價(jià)鐵有效地去除。從表可以看到，對(duì)于同一種污染物，在相同的條件下，修飾型納米零價(jià)鐵在處理效果上要明顯優(yōu)于零價(jià)鐵的處理效果。2. 負(fù)載型納米零價(jià)鐵 由于納米鐵粒子小、易團(tuán)聚而導(dǎo)致工程應(yīng)用的困難，提高納米鐵的分散度而固定在載體上是一種有效的方法。目前研究報(bào)道的固定化納米鐵主要區(qū)別在