多孔材料负载型纳米零价铁的制备及其在环境中的应用进展

山　东　化　工

收稿日期：２０１８－１１－１３

基金项目：国家自然科学基金青年项目（２１７０７１０４）；中央高校基本科研业务费专项资金（０４００２１９３７６）作者简介：王世林（１９９３—），男，河南郑州人，硕士研究生，主要从事纳米零价铁复合材料的合成及污染物去除机理的研究。

多孔材料负载型纳米零价铁的制备及其在环境中的应用进展

王世林，滕　玮

（同济大学环境科学与工程学院污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海　２０００９２）

摘要：纳米零价铁（ｎＺＶＩ）因其比表面积大，还原电势高、反应活性优异等特点被广泛应用于地下水和废水污染物的去除，展现出良好的

去除效果。但易团聚、易氧化等问题使ｎＺＶＩ的应用受到局限。近年来，通过将ｎＺＶＩ负载在多孔材料上来改善其局限、提高其应用潜能的理论和研究受到广泛关注。本文从制备方法，对污染物的去除能效，增效机制等方面对负载型纳米零价铁的相关研究做出总结。提出了目前纳米零价铁系材料应用过程中存在的问题，对负载型纳米零价铁的应用前景进行了展望。关键词：多孔材料；纳米零价铁；负载；污染物；废水处理中图分类号：ＴＱ１３８．１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００８－０２１Ｘ（２０１９）０３－００２４－０３

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１９９７年，Ｚｈａｎｇ［１］

等使用液相还原法制备出ｎＺＶＩ和铁－钯双金属材料，用于有机氯化物的降解，开启了ｎＺＶＩ用于水体污染物去除之先河。ｎＺＶＩ较小的粒径使其具有独特的表面效应、体积效应、量子尺寸效应和显著的反应活性。但是，ｎＺＶＩ在工程应用当中也存在着易团聚、易氧化钝化以及电子选择性差等局限。对ｎＺＶＩ材料的改善方法研究是相关领域的热点。

目前，改善ｎＺＶＩ的途径主要有三种：（１）负载，将ｎＺＶＩ负载在多孔介质上，使ｎＺＶＩ在载体表面均匀分布，增加ｎＺＶＩ的分散性和比表面积，提高与污染物的接触效率；（２）表面改性［２］，通过添加表面活性剂或稳定剂的方法，增加ｎＺＶＩ的空间

位阻和颗粒间静电排斥力，减少团聚；（３）多金属掺杂［３］

，在ｎＺＶＩ表面负载其他高还原电位的金属单质（如Ｐｄ、Ｃｕ等），形

成双／

多金属纳米材料，增加ｎＺＶＩ的活性吸附位点。负载作为一种有效的改善途径，常用的载体为多孔材料。多孔材料是一种由相互贯通或封闭的孔洞构成的具有网络结构的物质，按孔道大小不同可分为微孔（＜２ｎｍ）、介孔（２～５０ｎｍ）和大孔材料（＞５０ｎｍ）。多孔材料比表面积大，含有丰富的排列规则、大小可控的孔道结构，对ｎＺＶＩ起到良好的分散作用，同时为客体反应分子提供扩散和传输的通道，协同去除水体污染物。

本文围绕多孔材料用于ｎＺＶＩ负载的优点，对负载型纳米零价铁的制备、常用多孔材料的种类、对污染物的去除效果和

增效机制等进行了简要总结，为负载型纳米零价铁有关的研究

提供参考。

１　多孔材料负载零价铁的制备方法１．１　纳米零价铁的制备方法

不同制备方法得到的ｎＺＶＩ的粒径和均一程度也有所不同，依据反应的不同可分为物理法和化学法。１．１．１　物理方法

常见的物理制备方法有以下几种：

１）球磨法。将零价铁粉末投入球磨机中反复研磨得到ｎＺＶＩ的细小颗粒。

２）冷冻干燥法。用冷冻剂将零价铁溶液冷冻并在真空中低温干燥，溶剂升华后即可得到ｎＺＶＩ颗粒。

３）气相沉积法［４］

。包括雾化法、惰性气体蒸发冷凝法、光刻法等。产物纯度高、粒径均匀，制备成本较高。１．１．２　化学方法

１）液相还原法［１］

。使用硼氢化钠在液相条件下对铁盐进行还原得到ｎＺＶＩ。液相还原法制备的ｎＺＶＩ粒径大小易于控制，颗粒分布均匀。

２）电化学法。以Ｆｅ３＋或Ｆｅ２＋

的盐溶液作为电解质，通电还原溶液中的铁离子／亚铁离子，在阴极表面得到还原沉积的ｎＺＶＩ。

３）碳热还原法［５］

。在高温条件下，以无机碳作为还原剂，

通过与纳米级的铁氧化物或亚铁盐发生吸热反应得到ｎ

ＺＶＩ。１．２　多孔材料负载纳米零价铁的制备方法与材料

多孔介质负载纳米零价铁复合材料的合成方法主要有三

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４２·ＳＨＡＮＤＯＮＧＣＨＥＭＩＣＡＬＩＮＤＵＳＴＲＹ ２０１９年第４８卷