纳米零价铁的合成负载膨胀石墨去除硝酸盐

纳米零价铁合成负载在膨胀石墨上去除硝酸盐

摘要：负载在微观尺度膨胀石墨上的纳米零价铁颗粒是通过在水-乙醇系统下使用硼氢化钾作为还原剂而制备的。负载型零价铁材料一般在环境修复方面有有较高的活性和更大的灵活性。该膨胀石墨作为载体要预先处理为亲水性材料。纳米铁颗粒沉积在粗糙的石墨表面，而被硼氢化钾还原而形成。提出了可能的硝酸盐还原途径。TEM 图像表明，铁粒子高度分散在石墨的表面上和一些铁颗粒被嵌入在支撑表面上的凹坑里。在此合成中，铁颗粒具有接近晶粒尺寸为50-100纳米的球形形状。由BET 比表面积分析仪分析具有3.5%, 7.0%, 10.0%, 15.0% and 20.0%的不同铁负荷的材料表面积是2.89, 9.55, 8.45, 23.8 and 6.18g m /2。硝酸盐的化学还原是由负载型纳米零价铁在水溶液中进行一系列实验测试的。实验结果表明，在中性pH 和厌氧条件由负载型纳米零价铁比不负载纳米零价铁或零价铁

碎片下，-3NO 可以更迅速地还原为+4NH 。与其他铁颗粒负荷比较15％的纳米铁

/石墨显示出最佳的还原效率。

关键词：负载型纳米零价铁，膨胀石墨，硼氢化钾，硝酸

1. 引言

目前零价铁纳米颗粒或零价铁的双金属组合在环境修复的利用方面最为关注。纳米零价铁是一种有效的还原剂和催化剂可用于还原多种污染物，包括有机氯化合

物，重金属离子（例如，+6r C 、+2g H 、+2d C ）和氧阴离子（例如-3NO ）的。该硝

酸盐具有较高的化学稳定性，尤其是在低浓度下，它可以转化为有害的亚硝酸根离子，并导致一些人类健康问题，包括癌症和高铁血红蛋白血症[1]。因为硝酸的高标准还原电位，它可以用多种还原剂被还原成氮气或氨的形式。

虽然众所周知，纳米铁是一个功能强大的修复物质，但很容易在使用过程中结块。负载型零价铁材料一般对环境修复的应用有较高的活性和更大的灵活性比其他形式的零价铁。

因为铁是高度分散的，所以修复更快和更有效。负载型材料也可以用作预浓缩反应物，介导的电子转移反应和成核阶段产物的生长。负载型零价纳米铁材料是土壤渗透性修复物，它可能通过土壤和沙子填充柱便于运输和尽量减少开挖。

它直接注射进入现场应用的土壤或地下水，可以更有效地目标修复。

在这项研究中，提出了合成负载型纳米铁颗粒的一种有效的方法。在实验中对合成的纳米铁颗粒特性进行了研究。通过负载零价铁在溶液中化学还原硝酸盐进行了一系列批次实验研究。通过负载零价铁还原硝酸盐的机制根据实验结果进行讨论。

2. 实验

2.1合成材料

铁石墨粒子使用膨胀石墨（平均26m μ）作为负载体。1.2g O H FeSO 247∙溶于50毫升40％（体积分数）的乙醇，60％的脱氧去离子水中。聚乙二醇与分子质量为4000的表面活性剂被加入到上面的溶解中。然后，边搅拌边加入膨胀石墨。20mL0.5g 硼氢化钾碱性溶液缓慢加入到该混合物中，同时搅拌。添加所有的硼氢化钾后, 混合物要强烈搅拌30分钟。然后将得到黑色固体用150毫升去离子水清洗三次,乙醇清洗两次。该黑色固体要真空干燥一夜。

()142222220242+--++++=++H H BO Fe O H BH Fe

3.5%, 7.0%, 10.0%, 15.0% 和20.0%（质量分数）不同铁负荷的材料被制备通过添加不同的质量负载。不负载型的纳米零价铁粒子仅在石墨不存在于上述过程时而制备。为了测定污染物去除自身负载的效果，石墨通过省略了铁盐在同一程序中被处理[2]。

负载零价铁纳米颗粒的表面积（比表面积）使用NOV A2000表面分析仪氮吸附法测定。用Phillips EM 400ST 透射电子显微镜（TEM ）观察粒子的形态来表征铁颗粒的颗粒和分布。 材料结构是通过用DMAX-2500全自动粉末与在40 kV 和100毫安下铜αK 辐射的X 射线衍射仪（XRD ）进行了检查。

2.2通过负载零价铁纳米颗粒硝酸盐化学还原的批次实验

个人反硝化实验在厌氧（密封）的血清瓶制备的批处理系统中进行。除非特别说明，在铁浓度为1.67g/L 的条件下新鲜制备的负载零价铁和不负载零价铁，加入加入到150mL 的硝酸溶液中。该溶液在室温条件下（25℃）用150转/分的旋转摇动器混合。样品用玻璃注射器和0.45pm 膜滤器过滤定时抽出为了去除固

体颗粒和其他产品。将滤液用于测定-3NO ,-2NO ,+4NH ,+3Fe 和+2Fe 的浓度。在该

反应过程中，pH 值也被测量。

-3NO ,和-2NO 通过使用电导检测仪（Dionex DX-120）的离子色谱系统测定。

+4

NH 是通过使用UV-751N 分光光度计（Lingguang ，中国）的纳氏试剂比色法测定。+3Fe 和+2Fe 是通过使用UV-751N 分光光度计的10–邻菲咯啉的方法测定。pH 值是使用Delat-320 pH 计测定。

3.结果与讨论

3.1 负载型零价纳米铁粒子的表征

在被硼氢化钾处理后（但在不存在铁），石墨本身的表面面积是3.3g m /2。

3.5%,7.0%,10.0%,15.0%和20.0%（质量分数）的不同铁负荷材料的表面积分别是

2.89,9.55,8.45,2

3.80 and 6.18g m /2。从这些结果可以得出,材料的表面积主要由所负载的铁纳米颗粒而得。

图1表示用透射电子显微镜观察负载零价铁纳米颗粒的图像。

图1 负载零价铁纳米粒子的TEM照片

它表明铁颗粒主要分散在石墨表面上。纳米铁颗粒沉积在粗糙表面的石墨上，而那些纳米铁颗粒由硼氢化物还原和一些嵌入在载体表面的坑里形成。在此合成中，铁颗粒具有接近球形的形状，其粒径范围约为50 - 100纳米。图2表示负载的零价铁纳米颗粒的XRD谱图。主反射在44.7°对应0

Fe和反射在26.4°和在54.5°对应于石墨在光谱里被提出如图2所示。弱衍射的0

Fe峰表明，通过硼氢化钾的水溶液合成的纳米零价铁结晶较差。

图2 负载的零价铁纳米颗粒的XRD谱图

3.2负载零价铁纳米粒子对去除硝酸盐的影响

图3显示了纳米零价铁和负载零价铁纳米粒子对硝酸盐去除批次实验的影响。在封闭实验系统里硝酸溶液的初始pH值为6.7，不被负载和负载型纳米铁的用量都为1.67g/L。基于图3中所示的实验结果，不负载纳米铁。