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發(fā)布時(shí)間:2022年11月16日 15:46 作者:北極星水處理網(wǎng) 點(diǎn)擊數(shù):次
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導(dǎo) 讀:納米零價(jià)鐵(nanoscale zero-valent iron, nZVI)是目前工程化應(yīng)用最廣泛的納米環(huán)境修復(fù)材料之一,憑借其高反應(yīng)活性、獨(dú)特的核殼性質(zhì)、低成本和環(huán)境友好性,可實(shí)現(xiàn)污染物的高效去除。但因自身磁性和強(qiáng)還原性等,納米零價(jià)鐵仍存在易團(tuán)聚沉淀、遷移能力差和易過(guò)度還原污染物等問(wèn)題。本文利用介孔(孔徑2-50 nm)獨(dú)特的納米限域空間,發(fā)展了納米鐵材料構(gòu)筑新方法,開(kāi)發(fā)了新一代環(huán)境功能介孔納米鐵材料,剖析了納米鐵界面調(diào)控污染物(包括重金屬、有機(jī)物和硝酸鹽氮)遷移轉(zhuǎn)化行為的規(guī)律和機(jī)理,開(kāi)拓了納米鐵材料在污染物催化氧化和還原方面的應(yīng)用,為鐵環(huán)境化學(xué)界面污染物轉(zhuǎn)化控制提供基礎(chǔ)理論和技術(shù)支撐。
1 背景與問(wèn)題
納米零價(jià)鐵粒徑約為1-100 nm,具有獨(dú)特的“核-殼”結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)。與普通零價(jià)鐵相比,其粒徑小、比表面積大、比表面能高,在與污染物反應(yīng)時(shí)具有速度快、反應(yīng)更徹底等優(yōu)點(diǎn)。1997年,張偉賢教授課題組采用硼氫化鈉液相還原法合成納米零價(jià)鐵及納米鐵雙金屬(Pd-nZVI),并成功將其應(yīng)用在地下水的三氯乙烯和多氯聯(lián)苯降解中。自此,納米零價(jià)鐵引起了國(guó)內(nèi)外環(huán)境領(lǐng)域?qū)W者的廣泛關(guān)注。經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展,納米零價(jià)鐵環(huán)境污染修復(fù)技術(shù)日趨成熟(圖1)。同時(shí),處理污染物的研究范圍也從鹵代有機(jī)物逐漸擴(kuò)展到染料、殺蟲(chóng)劑(如林丹和DDT)、炸藥(如TNT)等其他有機(jī)污染物,重金屬(Pb、Cr、As、U等)、硝酸鹽、磷酸鹽、高硫酸鹽、硫化物等非金屬無(wú)機(jī)污染物。
但是由于其自身特點(diǎn),納米零價(jià)鐵仍然存在著較大的應(yīng)用瓶頸,一方面表現(xiàn)在易團(tuán)聚。因粒徑小、以及本身具有的磁性,納米鐵很容易發(fā)生團(tuán)聚,導(dǎo)致反應(yīng)活性急劇下降,和遷移性差等問(wèn)題。另一方面,由于其較強(qiáng)的還原能力(E0(Fe2+/Fe0)= -0.44 V)),容易將一些污染物過(guò)度還原,形成另一種有害物質(zhì)。因此,改善納米零價(jià)鐵的分散性、穩(wěn)定性和反應(yīng)活性成為熱點(diǎn)研究問(wèn)題。目前改性納米零價(jià)鐵的方法有:添加高分子穩(wěn)定劑、制備納米零價(jià)鐵雙金屬體系、負(fù)載型納米零價(jià)鐵、以及硫化納米鐵等。
有序介孔材料是一類(lèi)新型多孔納米結(jié)構(gòu)材料,孔道尺寸介于2到50 nm,長(zhǎng)程排列有序,并在介觀上排列成特殊結(jié)構(gòu)3。相比于通常的多孔載體材料(如活性炭),有序介孔碳作為載體具有不可比擬的優(yōu)勢(shì):(1)均一可控的介孔結(jié)構(gòu)可限域顆粒尺寸大小,并提高材料穩(wěn)定性;相互連通的孔道方便反應(yīng)物質(zhì)和電子等傳輸;巨大的比表面提供更多活性位點(diǎn);(2)容易通過(guò)合成控制與異質(zhì)元素前驅(qū)體間作用,實(shí)現(xiàn)材料性質(zhì)精確調(diào)控。
2 新一代納米鐵的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用
2.1 半嵌入式納米鐵顆粒加強(qiáng)穩(wěn)定性
針對(duì)納米鐵的快速團(tuán)聚使其在水介質(zhì)中遷移能力差問(wèn)題,在介孔材料分子自組裝過(guò)程中通過(guò)乙酰丙酮或檸檬酸與鐵源強(qiáng)配位,限制熱解中鐵晶粒的遷移和團(tuán)聚,合成了納米零價(jià)鐵半嵌入碳骨架、半暴露于孔道的特殊結(jié)構(gòu)(圖2)。該結(jié)構(gòu)具有極強(qiáng)的保護(hù)和穩(wěn)定作用,可延長(zhǎng)200倍沉降時(shí)間,極大提高了其在介質(zhì)中的遷移能力4。同時(shí),通過(guò)調(diào)節(jié)前驅(qū)體用量,控制孔道中鐵界面與污染物的接觸實(shí)現(xiàn)了緩釋效果。該方法得到8 nm且均勻分布的鐵顆粒,粒徑相比傳統(tǒng)納米鐵縮小10倍,在水體痕量重金屬污染物(如Au等)的還原富集應(yīng)用中表現(xiàn)出長(zhǎng)效性和優(yōu)異的去除效率5。進(jìn)一步將該配位作用輔助自組裝技術(shù)拓展至其他鐵基材料體系,成功合成了介孔空間半嵌入式納米鐵鈀(FePd)、鐵鉑(FePt)雙金屬?gòu)?fù)合材料,其在廢水脫氯應(yīng)用中表現(xiàn)持久脫氯的可控性和穩(wěn)定性。
2.2 高分散納米鐵基材料提升反應(yīng)活性
針對(duì)納米零價(jià)鐵極易團(tuán)聚而導(dǎo)致反應(yīng)活性急劇下降的問(wèn)題,提出了介孔空間引入親氧助劑預(yù)分散策略,實(shí)現(xiàn)了納米鐵的高度分散(圖3)。利用稀土鈰與介孔孔道表面硅羥基較好親和性,預(yù)先形成納米“阻隔島”,其表面缺陷與鐵源的相互作用,使Fe3+向CeO2內(nèi)部擴(kuò)散,置換晶格中Ce4+,形成Fe-Ce-O固溶體,合成得到高度均勻分散的Fe/Ce納米顆粒(~8 nm)。同時(shí)兩者協(xié)同產(chǎn)生更多氧空位實(shí)現(xiàn)對(duì)污染物的催化降解6。該策略可拓展至其它納米顆粒的高度分散合成,如銅錳催化活性位點(diǎn)。應(yīng)用于高級(jí)催化氧化染料污染物時(shí),活性位點(diǎn)的高度分散極大提高了H2O2向高氧化活性?OH的催化轉(zhuǎn)化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明限域效應(yīng)使介孔空間內(nèi)生成的?OH瞬時(shí)濃度提高,使進(jìn)入并吸附在介孔中的分子尺寸較大且難降解有機(jī)污染物快速降解礦化,大幅提高了材料催化降解性能。
2.3 介孔孔道表面鐵電子結(jié)構(gòu)調(diào)控提高反應(yīng)選擇性
納米零價(jià)鐵與硝酸鹽具有高反應(yīng)活性而被廣泛研究,但反應(yīng)只能在酸性條件下進(jìn)行,極易過(guò)度還原產(chǎn)生銨根,形成二次污染,同時(shí)自身易被氧化失活。因此,鐵界面硝酸鹽還原活性和脫氮選擇性的調(diào)控仍缺乏有效方法。在溶液揮發(fā)誘導(dǎo)自組裝過(guò)程中,發(fā)展了含氮有機(jī)分子輔助組裝等方法,通過(guò)適量金屬或非金屬前驅(qū)體,形成雜原子摻雜,重構(gòu)孔道表面鐵活性位點(diǎn)電子結(jié)構(gòu),得到了性質(zhì)均一且比例可調(diào)的合金(FeCo、FeNi)、非金屬配位FeNx結(jié)構(gòu),為降低污染物反應(yīng)活化能壘、改變反應(yīng)路徑提供了有效的反應(yīng)空間7。在介孔碳孔道構(gòu)建的高分散納米鐵中,發(fā)現(xiàn)鐵碳表面具有更多較高能級(jí)的占據(jù)d軌道,易與硝酸鹽π*軌道成鍵,利于電子的關(guān)鍵第一步轉(zhuǎn)移并促使N-O鍵斷裂(圖4)。進(jìn)一步調(diào)控鐵外層碳?xì)さ暮穸群捅砻娴獡诫s,核內(nèi)鐵納米粒子提供額外電子降低了FeNx的Mulliken電荷及氮摻雜碳表面的局域功函數(shù),從而改變對(duì)硝酸鹽的吸附強(qiáng)度,其硝酸鹽去除能力可達(dá)到99%,氮?dú)膺x擇性提高至85%。
3 技術(shù)意義和前景
面對(duì)環(huán)境污染控制需求,從環(huán)境基礎(chǔ)材料性能構(gòu)筑入手,開(kāi)發(fā)了系列新型介孔限域型納米鐵,增強(qiáng)了納米顆粒的分散和穩(wěn)定性,提高了其在水介質(zhì)中遷移能力,延長(zhǎng)了反應(yīng)持久性,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)活性位點(diǎn)的增加,從而實(shí)現(xiàn)反應(yīng)效率的大幅提升;另外通過(guò)異質(zhì)原子對(duì)介孔空間鐵表面電子調(diào)控實(shí)現(xiàn)了污染物降解的選擇性。該研究拓寬了鐵基納米材料化學(xué)在污染控制領(lǐng)域的應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用中,該系列新型材料面臨費(fèi)用較高的問(wèn)題,需要進(jìn)一步通過(guò)優(yōu)化材料合成降低成本。但制備方法和反應(yīng)規(guī)律可應(yīng)用至其他廉價(jià)多孔材料中,現(xiàn)階段為環(huán)境污染控制提供了新型納米材料構(gòu)筑新途徑和技術(shù)思路。
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