纳米零价铁改性及其应用研究进展

纳米零价铁(nZVI)因其具有较好的吸附效果和还原性而被广泛用于环境污染物去除。然而,纳米零价铁易团聚、易氧化、易失活的问题使其在去除环境污染物方面效率降低。因此,有关纳米零价铁改性以增强其对环境污染物去除效率的研究已成为研究热点。围绕近几年国内外文献对纳米零价铁改性及其在环境中应用的研究结果,详细介绍了纳米零价铁常用的改性方法及其对环境污染物(如卤代有机物、重金属、硝酸盐)的去除效果和作用机理。同时指出纳米零价铁在改性和应用中尚需解决的问题和未来发展方向。     

纳米零价铁优化体系及其在环境中的应用研究进展

零价铁材料作为近年来受到广泛关注和研究的环境原位修复介质,主要得益于自身的一些优势:(1)原料价廉易得,铁在自然界中广泛存在,含量占地壳元素的4.75%,丰富的储存量有利于降低其使用成本;(2)铁化学性质活泼,还原电势高,能与多种污染物发生反应,将其转化到无毒或低毒状态;(3)铁是一种环境友好的修复介质,不易造成二次污染等问题。此外,铁材料还具有较强的磁性,有利于分离回收。然而普通的零价铁颗粒比表面积相对较小,在一定程度上会影响零价铁的使用效果,尤其是去除速率较慢,同时较大的尺寸也使得零价铁材料不适用于土壤修复等对材料渗透性有一定要求的应用环境。为解决这一问题,纳米零价铁材料成为研究热点,其极大的比表面积可使材料反应速率提高到普通铁粉的10～100倍,反应活性极佳,且其颗粒粒径小、渗透性和流动性强,可通过注射的方式进入到地下污染体系中,能实现对土壤和地下水的污染修复,在各种污染环境的原位修复中有着广阔的应用前景。纳米零价铁的制备方法较多,主要可分为物理法(高能机械球磨法、物理气相冷凝法、溅射法和等离子体法等)和化学法(液相化学还原法、固相化学还原法、溶剂热法、气相化学反应法、电沉积法等)两大类。然而纳米零价铁材料性质过于活泼、表面能量高,且磁性较强又会导致其在使用中发生团聚、钝化等问题,严重降低电子效率,限制能效的充分发挥和使用寿命。为此,在纳米零价铁材料基础上进行优化改性是该领域的目前主要发展方向。本文将目前最常见的纳米零价铁优化体系归纳为三类:(1)纳米零价铁稳定化体系,又包括物理负载稳定化和表面化学改性稳定化两种;(2)纳米零价铁包埋体系,其中以生物材料固定化包埋最为常见;(3)纳米零价铁复合体系,例如铁/碳复合纳米材料、纳米双金属复合材料等。本文总结了各体系的特点和相应的制备技术,重点阐述了纳米零价铁优化体系在重金属、有机氯等污染环境中的最新应用进展,揭示了其修复机理和影响能效的因素。进一步提高纳米零价铁优化体系的使用效率、延长使用寿命、降低成本以及拓宽其应用领域,将是该领域未来的主要研究目标。     

PBTCA及TH-904改性纳米零价铁材料的制备及表征

为改善纳米粉体的分散性,使其在高表面能态下稳定存在,以NaBH4液相还原Fe3+制备纳米级零价铁颗粒。对比采用不加入改性剂、加入改性剂2-膦酸丁烷-1,2,4-三羧酸(PBTCA)和改性剂TH-904,分别制备普通纳米级零价铁N-Fe0、改性纳米零价铁P-Fe0及T-Fe0。并对改性前后纳米零价铁进行X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、红外光谱(FTIR)及能谱(EDS)分析测试。结果表明,制备的N-Fe0、P-Fe0及T-Fe0颗粒平均粒径分别为125nm、73nm和64nm。改性后,由于颗粒粒径减小,引起产品部分氧化,但颗粒得到有效分散。FTIR测试表明,改性后产物中分别出现二种改性剂有效基团,表明改性剂对纳米零价铁有效分散起到了积极作用,并对该作用进行了分析。     

聚乙烯醇/纳米零价铁复合膜的制备及性能

为了克服脱氧剂小袋包装与食品混装带来的工艺不足和安全问题,采用水热法制备了纳米零价铁（nZVI）,并将其与聚乙烯醇（PVA）进行溶液共混,制备了结构及阻氧性能更为优异的聚乙烯醇/纳米零价铁复合膜。利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、热重分析（TG）、差示扫描量热法（DSC）等对膜的结构和性能进行表征。结果表明：复合膜中PVA和nZVI实现了良好复合;加入nZVI后,复合膜的玻璃化温度（Tg）升高、热稳定性降低;随着nZVI含量的增加,复合膜的力学性能先增强后减弱,在nZVI质量分数为2%时,复合膜的抗拉强度和断后伸长率达到最大;复合膜的氧气透过系数随着nZVI含量的增加呈现先减小后增大的趋势,在nVZI质量分数为3%时,复合膜的氧气透过系数最小。在复合膜中,nZVI和PVA的羟基之间能形成一种强的相互作用,改善了复合材料的结构和性能,但nZVI及其表面部分氧化的变价铁催化加速了PVA的热降解。     

两步法由高炉瓦斯泥制备纳米级零价铁

以高炉瓦斯泥为原料,经两步法制备出纳米铁颗粒.研究物质微观结构的变化规律及微观结构与性能表征之间的关系.用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微境(SEM)、光电子能谱(XPS)和振动样品磁强计(VSM)对制得的产物进行结构及性能表征.结果表明:产物为纳米级α-Fe颗粒,平均粒径为74nm,外层有Ni的氧化物包覆,其饱和磁化强度Ms＝60.85A·m2·kg-1,剩余磁化强度Mr＝12.226A·m2·kg-1,矫顽力Hc＝21.41kA·m-1.     

纳米零价铁液相还原制备及其对水中Pb~(2+)的去除作用

为研究液相还原法制备的纳米零价铁去除Pb~(2+)的机理,在液相还原法的基础上加入有机高分子材料,制备纳米零价铁;利用扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)对其进行表征;研究不同时间时离子初始浓度和溶液初始p H值对纳米零价铁去除Pb~(2+)的影响。结果表明:纳米零价铁对Pb~(2+)的去除在120 min内基本达到平衡,当Pb~(2+)初始浓度为50、100 mg/L、纳米零价铁添加量为1 g/L时,Pb~(2+)去除率达99%以上;p H值从2.0增大至3.0时,Pb~(2+)的去除率从41.47%增大至73.58%;p H值从3.0增大至4.0时,Pb~(2+)去除率从73.58%增大至92.62%;动力学拟合结果表明,纳米零价铁去除Pb~(2+)的过程符合准二级动力学模型;纳米零价铁去除Pb~(2+)的机制主要是氧化还原和共沉淀。     

纳米零价铁基材料去除水中硝酸盐污染的研究进展

地下水和地表水中的硝酸盐污染成为一个日益严重的环境问题,通过经济有效的办法对硝酸盐污染进行控制或处理,甚至实现完全无害化,是非常必要且迫切的。纳米零价铁作为一种典型的工程纳米材料,在硝酸盐污染环境修复中有巨大的应用潜力。以纳米零价铁技术在硝酸根还原中的应用发展作为依据,该领域当前主要的研究工作集中于:(1)通过对纳米零价铁颗粒合成方法的探索和改进,提高其对高浓度硝酸盐废水的耐冲击能力,或与其他修复处理技术联用,增强其在原位修复中的适用性等;(2)研究环境条件(包括反应温度、溶解氧浓度、溶液初始pH,以及环境中其他竞争离子等)对纳米零价铁还原硝酸盐的影响规律,为该技术的工业推广提供理论支撑。然而,总结这些研究工作后发现该技术在向实用化进程中仍存在一些难点问题,尤其是零价铁技术使用寿命较短,硝酸根在体系内传质和吸附受限,产物(氮气)选择性低等。为此,在纳米零价铁材料的基础上,通过对其进行功能化改性,进而合成纳米铁基复合材料,作为更先进的技术替代。本文从负载型、双金属型、表面改性型几个方面对纳米铁基复合材料进行了归纳整理,重点阐述了不同复合体系在水中硝酸盐污染去除中展示出的优异于纯纳米零价铁...     

壳聚糖负载纳米零价铁对Cr(Ⅵ)吸附性能的研究

采用液相还原法制备纳米零价铁,使用质量分数为1％的壳聚糖对纳米零价铁进行改性,制备壳聚糖负载纳米零价铁吸附剂.考察pH、温度、吸附剂用量、吸附时间对Cr(Ⅵ)吸附性能的影响.再进行正交试验,探究吸附剂对Cr(Ⅵ)的最佳吸附条件.使用X射线衍射仪、扫描电镜、红外光谱对吸附剂进行表征.结果 表明:吸附Cr(Ⅵ)的最佳条件是...     

三元水滑石负载的硫化纳米零价铁对铀的高效去除与机理研究

纳米零价铁材料(NZVI)被广泛用于环境中放射性核素U(VI)的去除,但是单纯的NZVI存在稳定性差、去除效果差等不足。本研究结合表面钝化技术与负载技术制备得到Ca-Mg-Al水滑石负载的硫化纳米零价铁材料(CMAL-SNZVI),并将其用于U(VI)的高效去除。结合宏观试验与光谱分析表征得到的结果表明, CMAL-SNZVI材料具有出色的理化性质与较高的活性,对水溶液中U(VI)的去除具有优良的效果,在2h内可以达到反应平衡,且最大吸附量可达175.7 mg·g–1。CMAL-SNZVI对U(VI)的去除主要是由吸附过程与氧化还原反应相结合的方式:吸附过程中U(VI)与材料中的CMAL基底、SNZVI的表层通过内层表面络合作用结合;还原过程中材料的NZVI内核将U(VI)还原成低毒难溶的U(IV)后去除。CMAL-SNZVI可为NZVI材料的改性方法提供新的研究方向,同时,CMAL-SNZVI在污染物去除方面表现优异,可以作为出色的环境修复材料。     

薰衣草提取液绿色合成生物炭负载纳米零价铁去除水中亚甲基蓝的研究

以薰衣草提取液为还原剂,白酒废水污泥生物炭(WSB)为载体,采用绿色合成法制备了生物炭负载纳米零价铁复合材料(nZVI@WSB),并将其用于亚甲基蓝(MB)废水的处理,利用扫描电子显微镜-能谱(SEM-EDS)、透射电镜(TEM)、全自动比表面及孔隙度分析仪(BET)、傅立叶变换红外光谱(FT-IR)、X射线衍射图谱(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)等手段对nZVI@WSB进行了表征,并考察了其对MB的吸附性能。结果表明：nZVI@WSB的比表面积和孔容增大、稳定性和反应活性增强。在投加量1.0g/L和不调节溶液初始pH的反应体系中,MB的去除率随着初始浓度的增加而升高,而升温也有利于MB的去除。nZVI@WSB对MB的吸附过程分别符合准二级动力学方程、Langmuir和Redlich-Peterson等温方程。热力学研究表明,nZVI@WSB吸附MB是自发、熵增的吸热过程。     

纳米二氧化钛的制备、改性及其在聚合物基复合材料中的应用研究进展

基于纳米二氧化钛（TiO₂）作为添加剂制备的复合材料具有优异的耐温性、抗老化性等,而且由于其特殊的光催化活性,在通过吸收紫外光能量后具有较强的抗菌杀菌能力,因此在涂料、化妆品和医学等领域具有广泛的应用。然而,受纳米尺寸效应影响,纳米TiO₂在聚合物基体中存在易团聚、难分散的缺点,使其应用受到限制。因此,需要通过多种表面改性方法调控纳米TiO₂的表面性质,增强其与聚合物基体相容性。本论文首先详细阐述了纳米TiO₂的制备、表面改性方法及机制,并综述了近期纳米TiO₂改性聚合物基复合材料方面的研究进展。最后,讨论了纳米TiO₂聚合物复合材料研究中存在的主要问题,并展望了其未来的发展方向。     

污泥基生物炭负载纳米零价铁去除Cr(Ⅵ)的性能与机制

针对电镀、冶金、印染等行业产生的含铬废水所导致的环境污染难题,以城市污泥热解获得的污泥基生物炭(SB)为载体,制备了污泥基生物炭负载纳米零价铁(nZVI-SB)材料用于去除水中的Cr(Ⅵ),探究了铁炭质量比、初始pH值、投加量、温度等因素对去除Cr(Ⅵ)的影响。通过SEM-EDS、XRD和XPS等手段对n ZVI-SB去除Cr(Ⅵ)的机制进行分析。结果表明：n ZVI-SB对Cr(Ⅵ)废水具有较好的去除能力。在投加量0.5 g/L、初始pH=2、温度40℃条件下,Fe与SB质量比为1∶1的nZVI-SB(1∶1)对Cr(Ⅵ)吸附量最大为150.60 mg/g。Cr(Ⅵ)去除过程可通过Langmuir吸附等温式与准二级动力学方程进行拟合。nZVI-SB对Cr(Ⅵ)去除机制主要包括吸附、还原和共沉淀。本文表明污泥基生物炭与纳米零价铁可以协同发挥除Cr(Ⅵ)作用。     

纳米零价锌降解甲基橙效率探讨

将普通零价锌在滚压振动磨中研磨13h后,制备出不规则片状、粒径为20~30nm的纳米零价锌(NZVZ)。采用所制备的NZVZ降解甲基橙,系统研究了搅拌速度、NZVZ投入量、甲基橙初始浓度和NaCl的加入对甲基橙降解效率的影响。结果表明,NZVZ表面反应活性增高,反应60 min时,2g/L的NZVZ对甲基橙降解率为98.5%,比4g/L的普通零价锌高60.3%,其中间降解产物有对氨基苯磺酸和对氨基二甲基苯胺。降解率随转速、NZVZ投入量的增加而升高,随MO初始浓度的增加而降低;加入NaCl能促进反应进行,且随着投入量增加降解率增加。通过对实验数据的分析,验证NZVZ降解MO过程符合伪一级动力学方程式。     

纳米粒子表面改性研究

由于纳米粒子易团聚,对其进行表面改性是很必要的。本文综述了纳米粒子表面改性的主要方法,介绍了国内外表面改性的一些实例,并对纳米粒子表面改性的一些新发展和应用前景作了说明。     

基于零价铁的高级氧化技术与装备

零价铁(ZVI)具有还原电位低、可定向还原毒性基团、价廉易得、环境友好等特征,已广泛应用于一般工业废水的预处理.但零价铁在使用过程中存在pH适用范围窄、易生成钝化膜、电子利用率低等问题.以零价铁为核心的高级氧化技术逐渐成为国内外学者的研究热点.零价铁与氧化剂的联用不仅显著提高了污染物的去除效果,而且拓宽了零价铁的使用范围.由于零价铁、氧化剂与污染物之间的电子迁移机制非常复杂,针对零价铁/氧化剂体系中复杂产物与作用机制的解析得到了不断的探索与发展.本文综述了基于零价铁的高级氧化技术与装备,分别介绍了零价铁与氧气、过氧化氢、臭氧、过硫酸盐、高锰酸盐等氧化剂结合的高级氧化体系,从电子迁移的角度阐述了零价铁与氧化剂的相互作用机理,分析了不同氧化剂存在条件下零价铁的腐蚀产物及其催化作用,并对基于零价铁的协同催化氧化技术进行了介绍,同时对实际废水处理过程中基于零价铁的高级氧化处理装备与组合工艺进行了总结,最后就目前零价铁/氧化剂体系存在的问题进行了分析并展望其应用前景.     

纳米粒子材料的表面改性及其应用研究进展

在简单介绍纳米粒子团聚原因的基础上,着重讨论了纳米粒子表面物理和化学改性方法的研究进展.最后,介绍了改性纳米粒子在涂料、塑料、橡胶以及其它领域中的一些最新应用.     

纳米氧化锌表面包覆改性及其表征

采用液相沉积法对纳米氧化锌进行表面包覆SiO2和SiO2/Al2O3改性,并用XRD、TEM、TG-DSC对其表面结构进行了表征,借助Zeta电位测定仪、静态沉降实验等分析手段考察了改性前后纳米氧化锌在水体系中的分散稳定性.结果表明,在ZnO表面形成的包覆物是以非晶态形式存在的,通过表面包覆SiO2和SiO2/Al2O3改性后明显提高了氧化锌的表面羟基含量,有效改变了氧化锌的等电点,显著提高了纳米氧化锌在水中的分散稳定性.     

改性纳米氢氧化镁的制备与性能

采用液相沉淀法,在表面活性剂辅助作用下,合成收率为98%左右的改性纳米氢氧化镁。通过比表面积和表观密度测试结果确定最佳改性样品,并采用X射线衍射、透射电镜等手段对最佳样品结构形貌进行表征分析。结果表明:改性样品为六方晶系,分散性好,结晶度高。红外光谱分析表明:在氢氧化镁的制备过程中,表面活性剂吸附在样品表面。相对于未改性样品,改性样品沉降质量分数分别提高了31.2%、32.8%、30%,表明改性样品在非极性物质中有很好相容性。     

纳米碳酸钙湿法表面改性的研究

利用季铵型阳离子表面活性剂对纳米碳酸钙进行了湿法表面改性。对湿法改性前后的纳米碳酸钙进行了红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)及透射电镜(TEM)分析。采用Zeta电位、分散体系浊度、沉降体积、表观粘度等分析方法对改性前后纳米碳酸钙在水中的界面行为进行评价。另外,通过激光粒度仪对改性前后纳米碳酸钙分散液的粒度分布进行了测定。实验结果表明,经湿法表面改性后,纳米碳酸钙在水中的润湿性及分散性有很大改善。     

纳米填料改性聚苯硫醚及其纤维研究进展

聚苯硫醚(PPS)是一种耐高温、耐化学腐蚀、阻燃的高性能材料,其纤维制品可广泛应用于高温过滤、化学防护等领域。通过纳米填料熔融复合技术,可显著提高PPS材料及其纤维的综合性能。详细介绍了国内外纳米填料对PPS及其纤维紫外光稳定性、热氧稳定性、结晶和力学性能、以及耐磨性的改性研究,并进一步分析了纳米粒子对PPS的改性机理。详述了目前PPS纳米复合改性研究的不足,提出相应的解决方案。指出了纳米改性研究首先需要提高PPS纤维的紫外光稳定性、耐热氧化性能和最高使用温度,以扩展PPS纤维的应用范围。综合分析表明,PPS纤维的纳米改性研究仍处于起步阶段,需深入对不同形貌、尺寸纳米填料复合改性及纳米复合纤维成形机理的研究,并拓宽其研究范围。