[发明专利]一种纳米零价铁-β沸石新型复合纳米材料的制备方法及应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用新型载基材料进行纳米零价铁改性的方法及应用。 

背景技术

纳米零价铁作为一种环境纳米材料，因其比表面积大、反应活性高、去除污染物能力强等优势，在地下水等环境修复领域取得了很广泛的应用。实验室合成的纳米零价铁具有球形结构，平均尺寸为60 nm，80%的颗粒尺寸在50—100 nm 之间。纳米零价铁具有核壳双重结构，核心是结实的零价铁Fe0，呈金属铁体心立方晶体的扩散环结构，周围包覆一层较薄的氧化壳FeOOH，该壳厚度多为2—4nm。因磁性和静电引力作用，纳米零价铁易形成链状结构，常呈典型簇状，具有连续的氧化壳，但金属核心被更薄的一层氧化膜相互隔离，且氧化层为非晶体态，这可能是因为纳米零价铁半径小、氧化层曲率大、产生较大的张力妨碍晶体的生成所致。纳米零价铁的团聚行为严重影响了其对污染物的去除效率，成为纳米零价铁走向大规模实际应用的掣肘，所以相关改性研究应运而生。 

纳米零价铁的改性技术研究主要集中在抑制纳米颗粒团聚、提高颗粒在环境中的迁移能力和增强纳米零价铁对环境污染物的去除效率等方面。综合近几年来的研究成果，将纳米零价铁颗粒负载到固体载体上可以增大纳米颗粒的比表面积，抑制团聚的发生，或者在纳米零价铁颗粒表面包裹聚合高分子电解质或表面活性剂，通过空间位阻或者静电斥力也可有效减少纳米颗粒团聚程度，增强纳米零价铁颗粒在水体或土壤中的流动性。这些工作的开展为纳米零价铁在环境修复中的推广和应用提供了丰富的理论基础。 

负载技术一般是通过高温煅烧或离子交换，将生成的纳米零价铁颗粒负载到固体载体上，这样就能够减少团聚，增强纳米铁在环境中的迁移能力，有利于对土壤、地下水及受污染河流的修复。同时很多固体载体具有很强的吸附能力，例如碳和硅的孔状结构能够将水体中的污染物吸附在颗粒表面，从而加快反应速率。硅是一种化学性质稳定具有多孔结构的环境友好材料，吸附能力强，将纳米零价铁颗粒负载到多孔硅上就可以在不减弱纳米零价铁活性的前提下减少金属颗粒间的团聚，并增强纳米颗粒在水体或土壤中的迁移能力。在纳米零价铁的制备过程中，通过纳米双金属、固体载体负载或表面改性可以提高降解效率、抑制团聚，增强纳米颗粒在环境中的迁移能力，同时也可改善纳米零价铁颗粒的粒径，增大比表面积。但是每种修饰方法都存在着不足，纳米双金属可以提高反应速率和降解程度，但不能改善纳米颗粒的团聚；将纳米颗粒负载到固体载体上可以有效抑制团聚增大比表面积，但负载过程往往比较繁琐。同时我们也应注意到，纳米零价铁合成成本较高，通过廉价负载材料的引入可以降低单位重量材料的合成成本，如果复合材料的去除能力没有太大的下降，那么整体核算下来在经济上还是较为可行的。 

发明内容

本发明的目的是提供一种纳米零价铁-β沸石新型复合纳米材料的制备方法及应用，所述新型负载型纳米零价铁，在降低纳米功能材料合成成本的同时，提升其对重金属污染物等的去除效果。 

本发明主要针对纳米零价铁材料因磁力和范德华力等作用导致的易团聚、扩散性能差等不足，通过将纳米零价铁负载到吸附能力和离子交换能力强、分散性能良好的β沸石上，以期改善其分散性能，提升污染物去除能力，提高材料中铁的利用效率。本发明的离心步骤保证了制备的合成材料性质的统一性。 

本发明提出的纳米零价铁-β沸石新型复合纳米材料的制备方法，利用β沸石良好的离子交换和吸附能力，采用离子结合、液相还原的组合工艺来制备具有更好性能的纳米零价铁改性材料。具体步骤如下： 

(1)称取无水三氯化铁或硫酸亚铁等含铁盐溶于适量水中，铁离子浓度维持在5.6-16.8g/L，运用机械搅拌装置充分搅拌，转速为600转/分-1000转/分，时间15-45分钟，使其完全溶解，溶液pH 维持在1.5-3.3之间；

(2)β-沸石取用前在60摄氏度条件下烘干12小时，并充分研磨至粉末状态；称取0.8-2 g β-沸石并溶于10 mL 去离子水中，运用超声波破碎仪进行分散，功频率为12 KHz，时间为5分钟，然后加入步骤（1）所得的溶液中；

(3)在常温条件下，运用机械搅拌装置对步骤(2)所得混合溶液进行充分搅拌，使其体系均匀、反应充分，搅拌速率为600 转/分-1000转/分，时间16-20小时；搅拌过程中，在1小时、3小时、6小时、10小时分别进行超声处理，功率为8 KHz，时间为5分钟，使Fe³⁺与β沸石充分结合并均匀分布在β沸石表面；