负载型纳米Fe0的合成及应用综述

摘 要：目前，纳米Fe0由于易团聚、易氧化、易造成二次污染而受到应用限制。该文总结了负载型纳米Fe0的合成方法并对其优缺点进行比较，综述了不同多孔材料负载纳米Fe0在环境治理方面的应用，并针对当前研究现状的不足，提出了改进的展望。

关键词：负载 纳米Fe0 制备 应用

中图分类号：X703.1

文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）10（b）-0024-02

相较于微米Fe0，纳米Fe0比表面积大，粒径小，表面活性高，具有较强的还原性，可有效地转移和降解多种常见的环境污染物，如重金属、氯代有机物、硝酸盐等。但纳米Fe0因具有铁磁性而易团聚成链状，极易被氧化且易造成二次污染，从而导致其移动性和反应活性相应降低，以至处理效率降低。为了解决这些不足，可通过制成纳米双金属、多孔材料负载以及表面改性进行修饰。该文就多孔材料负载，综述不同多孔材料负载纳米Fe0的合成以及其在环境治理方面的应用。

1 合成方法及特性

负载型纳米Fe0的合成方法主要有初湿含浸法、液相还原法、气溶胶法、电化学沉积法、碳热法以及软模板一步合成法。液相原法是在无氧环境下利用强还原剂还原得到负载型纳米Fe0，其活性高，但成本偏高且会产生大量的H2，限制了工业化应用。电化学沉积法是利用外加电压恒电流电解，得到沉积在载体表面的纳米Fe0。该法的优势在于不需昂贵的还原剂且仪器简单，故工艺成本低，利于工程应用。复合材料上的纳米Fe0晶体密度高、孔隙率小、杂质少。但纳米Fe0主要在载体表面，故较易氧化。碳热法多用于以碳材料为载体时，是利用碳的高温热还原性，得到Fe0/AC。此法的副产物为气体，易于分离，反应吸热，故易于形成规模化、连续化的生产，且纳米Fe0与碳载体结合程度高，故不易脱落，其缺点在于碳材料在高温下易造成结构塌陷，从而改变其孔隙分布。

2 负载型纳米Fe0的应用

纳米Fe0可与钯、银、铂、镍等过渡金属一同负载在载体上，以增加复合材料的活化特性，其常用的载体可主要分为碳材料、硅基材料、无机粘土矿物、高分子聚合物膜材料4类。

碳材料是最为常见的载体材料，其比表面积大，孔结构多样，且具有良好的热稳定性和吸附性能。周娟娟等以椰壳活性炭为载体，采用电沉积法负载纳米Fe0，并探究其对模拟地下水中As（III）的去除效果，发现最佳条件下去除率大于90%[1]。曾淦宁等以铜藻基活性炭为载体，采用初湿含浸法制备负载型纳米Fe0，发现该材料可通过吸附和还原作用，将水中Cr（Ⅵ）充分去除[2]。

二氧化硅微球用作载体的优势在于良好的热稳定性、生物相容性和无毒性。Qiu Xinhong等在中孔二氧化硅微球上负载纳米Fe0，发现该复合材料可有效地在常温常压下去除四氢呋喃溶液的十溴联苯醚，且稳定性良好[3]。陈心仪通过热还原法制得纳米Fe0/有序中孔硅，并将其用于苯酚的非均相芬顿催化，发现该其具有较高的催化活性和稳定性[4]。朱晔以有序介孔硅基材料SBA-15为载体，采用等体积浸渍-焙烧-氢气气相还原法负载纳米Fe0，该材料对硝基苯具有良好的降解效果[5]。

纳米Fe0可均匀分布在聚合物膜材料内部，可有效抑制其因团聚而使尺寸增大，污染物与高活性纳米Fe0充分接触，故降解率得到提高。Li Shujing等利用液相还原法得到NZVI-PAA/PVDF，且该材料最大吸附容量可达181 mg Cr/g Fe[6]。Yang Jiacheng等进一步发现该材料可较好地用于处理水中的甲硝锉[7]。

粘土矿物多为层状结构，粒径小，吸附性能好，且成本低。常用作纳米Fe0载体的粘土矿物有蒙脱石、膨润土、海泡石、凹土等。程伟等以有机膨润土为载体负载纳米Fe0，发现反应2 h后四氯乙烯被完全降解[8]。Shi Li'na等进一步用该材料处理水中的Cr（VI），发现最佳条件下去除率可达99%[9]。

除了上述的几类载体，果胶、纤维素、藻酸盐珠等天然高分子化合物，与沸石、树脂、高分子聚合物、金属氧化物、石墨等也常作纳米Fe0的负载材料。

3 总结及展望

综上所述，不同类型的多孔材料均可很好地负载纳米Fe0，有效改善其团聚，且其分散较均匀、稳定、活性高，对污染物也具有很好的降解性能。但仍存在以下问题有待解决。

（1）制备过程均要求无氧条件，成本较高。

（2）污染物的降解多停留在实验室阶段，并无工业化应用；且大多只针对单一污染物，很少涉及对多种污染物复杂体系的处理；多用于水体中污染物的处理，而针对土壤中污染物的降解的研究较少。

（3）污染物降解的作用机理的研究还不够透彻。

总之，负载型纳米Fe0在常见环境污染物降解方面具有良好的应用前景，通过优化负载方法、联合其他治理技术等，进一步探索污染物的降解机制，促进负载型纳米Fe0的实际应用，真正有效地在环境污染修复方面发挥作用。

参考文献

[1] 周娟娟，李战军.活性炭/纳米零价铁复合吸附剂的制备及对砷的去除应用[J].环境科学与管理，2012（10）：106-108.

[2] 曾淦宁，武晓，郑林，等.负载纳米零价铁铜藻基活性炭的制备及其去除水中Cr（Ⅵ）的研究[J].环境科学，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] 陈心仪.载铁有序介孔硅的合成及其在非均相芬顿催化中的应用[D].南京理工大学，2014.

[5] 朱晔.NZVI/SBA-15复合材料的合成及其对水中硝基苯去除机理研究[D].南京理工大学，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] 程伟，盛国栋，刘进军，等.有机膨润土负载纳米零价铁去除废水中的四氯乙烯研究[J].安全与环境学报，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.