纳米零价铁优化体系及其在环境中的应用研究进展

秦小凤¹，曹嘉真¹，汪小莉²，张贤明¹，吕晓书¹

1. 重庆工商大学废油资源化技术与装备教育部工程研究中心2. 中国石油集团川庆钻探工程有限公司安全环保质量监督检测研究院

摘 要：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。

关键词：纳米零价铁;改性;重金属去除;脱氯降解;