纳米铁及其在水处理中的应用

超微粒的生成量随等离子气体中的氢气浓度增加而 上升。
该设备是崔作林、 张志焜自行设计 研制出的、具有 独立知识产权的 我国首台可连续 工作的氢电弧等 离子体纳米材料 制备设备。
多级氢电弧等离子体反应装置
气相还原法
制备方法：主要是由H2或CO还原固态金属铁盐。用H2在 N2气氛中还原FeCl2· nH2O 制备α-Fe 纳米粉末。
溅射法
优点：不需要坩埚；蒸发材料(靶)放在什么方位 都可以；可以具有很大的蒸发面纳米铁粉
的平均粒径小、产品纯度高。
缺点：消耗能量大，成本高。
高能球磨法 制备方法：利用介质和物料之间的相互研磨和 冲击使物料粒子粉碎，经几百小时的球磨，可 使小于lμm的粒子达到20％。
高能球磨法
优点：产量高，工艺简单，成本低，容易实现产 业化，非常适合脆性金属材料的制备。
加热源： 1）电阻加热； 2）等离子喷射加热； 3）高频感应加热； 4）电子束加热； 5）激光加热； 6）电弧加热； 7）微波加热。
蒸发凝聚法
优点：纯度高，粒径小，粒径分布窄，团 聚性能差，粒度容易控制等特点。
缺点：技术设备要求高温，操作不安全。
溅射法
制备方法：用两块金属板 分别作为阳极和阴极，阴 极为蒸发用的材料，在两 电 极 间 充 入 Ar 气 （ 40250Pa），两电极间施加的 电压范围为 0.3-1.5KV 。由 于两电极间的辉光放电形 成了 Ar 正电离子，在电场 的作用下 Ar 离子冲击阴极 靶材表面，使靶材原子从 其表面蒸发出来形成超微 粒子。蒸发原子被隋性气 体冷却而凝结形成纳米粒 子。
优点: 原理简单，组分容易控制，设备简单，可操作性 强。生产成本低 缺点：粒径分布不均匀，容易发生团聚，洗涤过程很 容易发生氧化
纳米铁在水处理中的应用概况



去除有毒金属 去除有机卤代物 去除水中无机离子 纳米铁脱色
去除有毒金属
吸
附
减轻 去除 有毒金属 如铅、砷、 汞、铬等
纳米铁 机 理 颗粒
主讲人：**
背景
在20世纪80年代末，纳米铁颗粒作为一种有效的脱卤 还原剂受到人们关注。纳米铁其最大的优势在于颗粒 比表面积大，反应活性高，降解污染物的速率十分快 速。特别是在污染物浓度较低的情况下，纳米铁对污 染物的去除率大大高于普通Fra Baidu bibliotek粉。
纳米铁粉
比表面积 粒径为10nm的铁微粒的比表面积为 33.5m2／g， 铁粉的比表面积仅为0.9m2／g，两者相差达37倍 之多。
氧化–还原
纳米铁 颗粒
降低污染物毒性
5倍铁屑 或铁粉
去除有机卤代物
纳米铁能有效降解一系列常见卤代烃有机污染物，包 括氯代烃、氯化苯、农药、三卤甲烷、氯化乙烯及其 1. 铁直接将表面 他多氯碳氢化合物等。 电子转移至有机 氯化物使之脱氯 3.铁反应产生的 氢气可使卤代烃 还原（水作为电 子接受体）
2. 铁腐蚀产生的 Fe2+还原作用使部 分有机氯化物脱氯
微孔展开表面积
为400平方米
直径5mm
纳米铁的主要制备方法
• • • • • • 蒸发凝聚法 溅射法 高能球磨法 活性氢-熔融金属反应法 液相还原法 气相还原法
蒸发凝聚法 （又称低压凝聚法 ）
制备方法：在超真空(<10 -4Pa)蒸发室内引入低压(1—10 4Pa)的惰性气体(氦或氩)，将金属铁加热，使之气化蒸发 产生原子雾，原子雾再与惰性气体碰撞失去能 量，骤冷后 形成纳米级铁颗粒。
作用 机理
4.是吸附作用
去除水中无机离子
纳米铁去除硝酸盐的原理主要是氧化还原作用和吸附 作用，而其降解动力学尚未有定论，有学者认为其反 应动力学与Fe／N比值有关。研究表明，实验室自制 纳米铁粒子具有很高的活性，无需控制PH值即可与硝 酸盐迅速完全反应，效果远优于普通零价铁。
纳米铁脱色
目前偶氮染料的大量研究表明：当零价铁在适当条件 下与染料溶液接触时。染料分子中的偶氮键将发生断 裂，破坏原染料的发色基或助色基，从而失去发色能 力，达到脱色目的。 注：pH值在脱色过程中发挥重要作用
优点：铁晶粒径分布均匀，产物单一，结晶好， 颗粒粒度小(可达3—10nm)，纯度高 缺点：设备要求较高，操作有难度。
液相还原法
制备方法：液相还原法指溶液中的金属Fe盐在强还原剂 （KBH4，NaBH4等）的作用下，还原为单质 金属铁粒子。 Fe2+/(Fe3+) +BH4-+H2O→Fe+B(OH)3+ H2↑
降解偶氮染料示意图
总 结
相比零价 易氧化 铁更具有 改进制备方法 优化 缺点 比表面积大 优点 优越的吸 附性能和 易团聚 还原活性 表面能大
粒径小
纳米铁
缺点：易引入杂质，颗粒分布不均匀；磨机结构 复杂，有许多易磨损部件。
活性氢-熔融金属反应法
制备方法：含有氢气的等离子体与金属间产生电弧，使金 属熔融，电离的N2, Ar等气体（惰性气体）和H2溶入熔融金 属，然后释放出来，在气体中形成了金属的超微粒子，用 离心收集器，过滤式收集器使微粒与气体分离而获得纳米 微粒。