負載型納米Fe0的合成及應用綜述

郭穎慧

摘 要：目前，納米Fe0由于易團聚、易氧化、易造成二次污染而受到應用限制。該文總結了負載型納米Fe0的合成方法并對其優缺點進行比較，綜述了不同多孔材料負載納米Fe0在環境治理方面的應用，并針對當前研究現狀的不足，提出了改進的展望。

關鍵詞：負載 納米Fe0 制備 應用

中圖分類號：X703.1

文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）10（b）-0024-02

相較于微米Fe0，納米Fe0比表面積大，粒徑小，表面活性高，具有較強的還原性，可有效地轉移和降解多種常見的環境污染物，如重金屬、氯代有機物、硝酸鹽等。但納米Fe0因具有鐵磁性而易團聚成鏈狀，極易被氧化且易造成二次污染，從而導致其移動性和反應活性相應降低，以至處理效率降低。為了解決這些不足，可通過制成納米雙金屬、多孔材料負載以及表面改性進行修飾。該文就多孔材料負載，綜述不同多孔材料負載納米Fe0的合成以及其在環境治理方面的應用。

1 合成方法及特性

負載型納米Fe0的合成方法主要有初濕含浸法、液相還原法、氣溶膠法、電化學沉積法、碳熱法以及軟模板一步合成法。液相還原法是在無氧環境下利用強還原劑還原得到負載型納米Fe0，其活性高，但成本偏高且會產生大量的H2，限制了工業化應用。電化學沉積法是利用外加電壓恒電流電解，得到沉積在載體表面的納米Fe0。該法的優勢在于不需昂貴的還原劑且儀器簡單，故工藝成本低，利于工程應用。復合材料上的納米Fe0晶體密度高、孔隙率小、雜質少。但納米Fe0主要在載體表面，故較易氧化。碳熱法多用于以碳材料為載體時，是利用碳的高溫熱還原性，得到Fe0/AC。此法的副產物為氣體，易于分離，反應吸熱，故易于形成規模化、連續化的生產，且納米Fe0與碳載體結合程度高，故不易脫落，其缺點在于碳材料在高溫下易造成結構塌陷，從而改變其孔隙分布。

2 負載型納米Fe0的應用

納米Fe0可與鈀、銀、鉑、鎳等過渡金屬一同負載在載體上，以增加復合材料的活化特性，其常用的載體可主要分為碳材料、硅基材料、無機粘土礦物、高分子聚合物膜材料4類。

碳材料是最為常見的載體材料，其比表面積大，孔結構多樣，且具有良好的熱穩定性和吸附性能。周娟娟等以椰殼活性炭為載體，采用電沉積法負載納米Fe0，并探究其對模擬地下水中As（III）的去除效果，發現最佳條件下去除率大于90%[1]。曾淦寧等以銅藻基活性炭為載體，采用初濕含浸法制備負載型納米Fe0，發現該材料可通過吸附和還原作用，將水中Cr（Ⅵ）充分去除[2]。

二氧化硅微球用作載體的優勢在于良好的熱穩定性、生物相容性和無毒性。Qiu Xinhong等在中孔二氧化硅微球上負載納米Fe0，發現該復合材料可有效地在常溫常壓下去除四氫呋喃溶液的十溴聯苯醚，且穩定性良好[3]。陳心儀通過熱還原法制得納米Fe0/有序中孔硅，并將其用于苯酚的非均相芬頓催化，發現該其具有較高的催化活性和穩定性[4]。朱曄以有序介孔硅基材料SBA-15為載體，采用等體積浸漬-焙燒-氫氣氣相還原法負載納米Fe0，該材料對硝基苯具有良好的降解效果[5]。

納米Fe0可均勻分布在聚合物膜材料內部，可有效抑制其因團聚而使尺寸增大，污染物與高活性納米Fe0充分接觸，故降解率得到提高。Li Shujing等利用液相還原法得到NZVI-PAA/PVDF，且該材料最大吸附容量可達181 mg Cr/g Fe[6]。Yang Jiacheng等進一步發現該材料可較好地用于處理水中的甲硝銼[7]。

粘土礦物多為層狀結構，粒徑小，吸附性能好，且成本低。常用作納米Fe0載體的粘土礦物有蒙脫石、膨潤土、海泡石、凹土等。程偉等以有機膨潤土為載體負載納米Fe0，發現反應2 h后四氯乙烯被完全降解[8]。Shi Li'na等進一步用該材料處理水中的Cr（VI），發現最佳條件下去除率可達99%[9]。

除了上述的幾類載體，果膠、纖維素、藻酸鹽珠等天然高分子化合物，與沸石、樹脂、高分子聚合物、金屬氧化物、石墨等也常作納米Fe0的負載材料。

3 總結及展望

綜上所述，不同類型的多孔材料均可很好地負載納米Fe0，有效改善其團聚，且其分散較均勻、穩定、活性高，對污染物也具有很好的降解性能。但仍存在以下問題有待解決。

（1）制備過程均要求無氧條件，成本較高。

（2）污染物的降解多停留在實驗室階段，并無工業化應用；且大多只針對單一污染物，很少涉及對多種污染物復雜體系的處理；多用于水體中污染物的處理，而針對土壤中污染物的降解的研究較少。

（3）污染物降解的作用機理的研究還不夠透徹。

總之，負載型納米Fe0在常見環境污染物降解方面具有良好的應用前景，通過優化負載方法、聯合其他治理技術等，進一步探索污染物的降解機制，促進負載型納米Fe0的實際應用，真正有效地在環境污染修復方面發揮作用。

參考文獻

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[2] 曾淦寧，武曉，鄭林，等.負載納米零價鐵銅藻基活性炭的制備及其去除水中Cr（Ⅵ）的研究[J].環境科學，2015（2）：530-536.

[3] Qiu Xinhong，Fang Zhangqiang，Liang Bin，et al.Degradation of decabromodiphenyl ether by nano zero-valent iron immobilized in mesoporous silica microspheres[J].Journal Hazard Mater，2011（193）：70-81.

[4] 陳心儀.載鐵有序介孔硅的合成及其在非均相芬頓催化中的應用[D].南京理工大學，2014.

[5] 朱曄.NZVI/SBA-15復合材料的合成及其對水中硝基苯去除機理研究[D].南京理工大學，2012.

[6] Li Shujing，Li Tielong，Xiu Zongming，et al.Reduction and immobilization of chromium（vi） by nano-scale Fe0 particles supported on reproducible PAA/PVDF membrane[J].Journal of Environmental Monitoring，2010，12（5）：1153.

[7] Yang Jiacheng，Wang Xiangyu，Zhu Minping，et al.Investigation of PAA/PVDF-NZVI hybrids for metronidazole removal：Synthesis， characterization，and reactivity characteristics[J].Journal of Hazardous Materials，2014（264）：269-277.

[8] 程偉，盛國棟，劉進軍，等.有機膨潤土負載納米零價鐵去除廢水中的四氯乙烯研究[J].安全與環境學報，2015（6）：228-232.

[9] Shi Li'na，Li yuman，Zhang Xin，et al.Synthesis， characterization and kinetics of bentonite supported nZVI for the removal of Cr（VI） from aqueous solution[J].Chemical Engineering Journal，2011，171（2）：612-617.