[发明专利]功能性零价纳米铁/聚电解质复合纤维毡的原位制备方法

说明书

技术领域

本发明属零价纳米铁粒子的制备领域，特别是涉及功能性零价纳米铁/聚电解质复合纤维毡的原位制备方法。

背景技术

随着环境修复技术的不断改进，各种新型修复材料的研究也越来越受到人们的关注。纳米尺度的材料更是因其具有与之相对应的本体材料完全不同的物理化学性质而倍受各界科研人士的青睐。在环境科学领域，纳米材料作为一种高活性吸附剂、催化剂和反应剂在污染防治处理，特别是水污染处理方面的研究日益增多。在众多的纳米环境修复材料中，由于纳米级零价铁的比表面积大，具有优良的表面吸附能力和化学反应活性，使之对污染物的吸附能力和化学还原能力尤为突出。自从美国里海大学的Zhang Weixian 1997年利用硼氢化钠还原铁盐(Fe²⁺或Fe³⁺)溶液的方法制备出零价纳米铁粒子，并对其有效降解三氯乙烯(TCE)、四氯乙烯(PCE)等污染物的研究报道以来，国内外的研究工作者对纳米铁粒子的制备，处理废水中污染物的机理及其应用相继展开了广泛而深入的研究。

零价纳米铁粒子主要通过还原和吸附作用与污染物之间发生反应，从而使废水得到净化。零价铁化学性质活泼，电负性较大，电极电位为-0.44V，因此还原能力强，一直以来被用作环境友好的还原剂。在强氧化剂存在时，溶液中的Fe²⁺离子还能进一步提供额外电子而被氧化成Fe³⁺。在水体环境中，除了水和氧作受电子体外，环境中的很多污染物都可以作为受电子体与纳米铁粒子反应，从而去除水体中的有毒物质。此外，铁能与水发生反应并在铁粒子表面迅速形成一层氧氢氧化铁(FeOOH)，形成壳-核结构，并根据溶液的化学性质表现出类似于金属或配位体的配位性能。吸附一些配位基如磷酸盐、砷酸盐等，或者与阳离子如Pb(II)形成络合物达到去除污染物的目的。

现场测试和实验室研究表明，纳米铁对废水中难降解污染物，如氯代有机物，染料和重金属离子等的处理取得了显著的效果。经过纳米铁粒子处理后的氯代有机物如三氯乙烯、四氯乙烯、有机氯杀虫剂、多氯苯酚和有机染料等大都能被快速、有效地降解成无毒或低毒的碳氢化合物。一定条件下，零价纳米铁粒子与废水中偶氮染料反应使染料分子的偶氮键发生断裂，破坏染料的发色或助色基，从而达到脱色目的。此外，用零价纳米铁处理染料废水还可提高难生化降解的染料中间体废水的可生化性。纳米铁粒子处理含铬(VI)废水一般是在酸性条件下，铁将铬(VI)还原为铬(III)，然后将溶液的pH值调高至中性或偏碱性，使得铬(III)以沉淀形式析出，水质得以修复和净化。但是，纳米铁粒子在处理废水中污染物的过程中，随着反应的进行，铁粒子的表面会被氧化，降低了铁粒子的反应活性。为解决纳米铁的比表面积大，暴露在空气中极易氧化，在表面形成钝化层，降低反应活性的问题，有研究者开发了双金属纳米粒子。现已报道的纳米双金属粒子一般有纳米Cu/Fe、Ni/Fe、Pt/Fe和Pd/Fe。覆盖在纳米零价铁表面的过渡金属催化层可阻止铁的氧化，同时又可作为优良的加氢催化剂，对氢有强吸收作用，从而大大提高了反应速度。

然而，由于纳米粒子的小尺寸效应、表面效应和高表面自由能的作用，粒子在水体环境中很容易发生团聚。纳米铁粒子在处理废水污染物的过程中也遇到了同样的问题，使得纳米铁粒子的反应活性减小，处理污染物的效率降低。为此，增加纳米铁粒子在液体中的稳定性能和减少粒子的团聚发生是进一步拓展纳米铁粒子应用的关键。