低成本高质量负载型纳米零价铁(nZVI)的制备及其在水体修复中的应用

纳米零价铁(ZVI)技术是近十年来迅速发展起来的一种水体修复技术。目前，极端昂贵的合成成本是阻碍nZVI大规模水体修复的主要原因。并且，按照现有合成方法，收获的nZVI粒径和组成不稳定，尺寸范围太宽，不能再生。本课题将研制nZVI负载量高、孔隙度大、nZVI均一分布、粒径仅为2-3纳米的高质量负载型纳米零价铁。拟研制的负载型纳米零价铁制备方法简单，成本低，可以大量合成，可再生重复使用。同时，所研制的新型纳米多孔材料将应用于实际水体环境下的污染修复，如三氯乙烯、砷、锑的高效去除，并深刻探讨其去除机制和机理。该课题的设计和顺利完成，将为高质量负载型纳米零价铁的廉价、大量制备，提供有效途径；将为纳米零价铁技术走向实际水体修复提供可靠的科学依据。

摘要 廉价高效的制备方法，是纳米零价铁nZVI在地下水硝酸盐去除方面得到广泛应用的重要先决条件。在本研究中，以氯化高铁为前驱物，在一定的乙醇/水比、温度以及油酸的存在条件下，制备获得均匀分散在正己烷中的油酸铁、氢氧化铁和羟基氧化铁等铁源。铁源经负载后在H2的还原作用下还原成负载型纳米零价铁nZVI，粒径在10-100nm左右。.利用这种制备方法，在载体（炭黑CB、活性炭AC）、铁源（油酸铁OA、氢氧化铁OH、羟基氧化铁 FeOOH）、反应温度（600-1200℃）、反应时间（0-600min）、铁碳比（5.83%、11.66%、23.31%）、H2流速（0、10 ml/min）的多种条件下，筛选出了理想的负载型纳米零价铁CB-OA H-1100-180-10（载体：炭黑；铁源：油酸铁；反应温度：1100℃；反应时间：180min；H2流速：10 ml/min；球状颗粒；粒径为26.3nm）、CB- FeOOH H-900-180-10（载体：炭黑；铁源：羟基氧化铁；反应温度：900℃；反应时间：180min；H2流速：10 ml/min；球状颗粒；粒径为66.1nm）。.负载型纳米零价铁对硝酸盐的去除效果也随铁碳比浓度的不同而不同。研究结果表明,在24h的反应时间内，高浓度铁碳比（Fe/C=23.32%）铁源（油酸铁）在900℃生成的负载型nZVI（载体：炭黑）对硝酸盐的去除效率为98.2%；中浓度铁碳比（Fe/C=11.66%）铁源（油酸铁）在1000℃生成的负载型nZVI（载体：炭黑）对硝酸盐的去除效率为83.3%；低浓度铁碳比（Fe/C=5.83%）铁源（油酸铁）在600-1000℃下生成的负载型nZVI（载体：炭黑）对硝酸盐的去除效率差异不大，均小于50%。.本课题中另一个重要发现是零价铁/氧化剂协同体系可以高效快速去除水体中硝酸盐和重金属。我们展开了深入的研究及机制探讨。零价铁/氧化剂协同体系可以高效去除水体中的硝酸盐，其机理是依赖协同体系中零价铁的还原活性去除污染物；氧化剂氧化剥离零价铁表面的钝化层，使内部电子可以传递到外部，从而使零价铁保持高还原活性。协同体系高效快速去除重金属的机理在于利用水处理常见氧化剂如过氧化氢、次氯酸钠、高锰酸钾等氧化、活化零价铁表面，持续产生新鲜的铁(III)/(II)(氢)氧化物等活性组分，以吸附、沉淀、氧化还原等方式