納米鐵及其在水處理中的應(yīng)用

1、主講人：主講人：* * *在20世紀(jì)80年代末，納米鐵顆粒作為一種有效的脫鹵還原劑受到人們關(guān)注。納米鐵其最大的優(yōu)勢在于顆粒比表面積大比表面積大，反應(yīng)活性高反應(yīng)活性高，降解污染物的速率十分快速。特別是在污染物濃度較低的情況下，納米鐵對污染物的去除率大大高于普通鐵粉。 背 景納米鐵粉比表面積粒徑為10nm的鐵微粒的比表面積為 33.5m2g，鐵粉的比表面積僅為0.9m2g，兩者相差達(dá)37倍之多。 直徑直徑5mm微孔展開表面積微孔展開表面積為為400平方米平方米納米鐵的主要制備方法 蒸發(fā)凝聚法蒸發(fā)凝聚法 濺射法濺射法 高能球磨法高能球磨法 活性氫活性氫- -熔融金屬反應(yīng)法熔融金屬反應(yīng)法 液相還原法液

2、相還原法 氣相還原法氣相還原法蒸發(fā)凝聚法 （又稱低壓凝聚法 ） 加熱源： 1）電阻加熱；2）等離子噴射加熱；3）高頻感應(yīng)加熱；4）電子束加熱；5）激光加熱；6）電弧加熱；7）微波加熱。 制備方法：在超真空(10 -4Pa)蒸發(fā)室內(nèi)引入低壓(110 -4Pa)的惰性氣體(氦或氬)，將金屬鐵加熱，使之氣化蒸發(fā)產(chǎn)生原子霧，原子霧再與惰性氣體碰撞失去能 量，驟冷后形成納米級鐵顆粒。 優(yōu)點(diǎn)：純度高，粒徑小，粒徑分布窄，團(tuán) 聚性能差，粒度容易控制等特點(diǎn)。缺點(diǎn)：技術(shù)設(shè)備要求高溫，操作不安全。蒸發(fā)凝聚法 制備方法：用兩塊金屬板分別作為陽極和陰極，陰極為蒸發(fā)用的材料，在兩電 極 間 充 入 A r 氣 （ 4

3、0 -250Pa），兩電極間施加的電壓范圍為0.3-1.5KV。由于兩電極間的輝光放電形成了Ar正電離子，在電場的作用下Ar離子沖擊陰極靶材表面，使靶材原子從其表面蒸發(fā)出來形成超微粒子。蒸發(fā)原子被隋性氣體冷卻而凝結(jié)形成納米粒子。濺射法濺射法 優(yōu)點(diǎn)：不需要坩堝；蒸發(fā)材料(靶)放在什么方位 都可以；可以具有很大的蒸發(fā)面納米鐵粉 的平均粒徑小、產(chǎn)品純度高。 缺點(diǎn)：消耗能量大，成本高。制備方法：利用介質(zhì)和物料之間的相互研磨和沖擊使物料粒子粉碎，經(jīng)幾百小時(shí)的球磨，可使小于lm的粒子達(dá)到20。高能球磨法高能球磨法優(yōu)點(diǎn)：產(chǎn)量高，工藝簡單，成本低，容易實(shí)現(xiàn)產(chǎn) 業(yè)化，非常適合脆性金屬材料的制備。 缺點(diǎn)：易引入雜

4、質(zhì)，顆粒分布不均勻；磨機(jī)結(jié)構(gòu) 復(fù)雜，有許多易磨損部件。 制備方法：含有氫氣的等離子體與金屬間產(chǎn)生電弧，使金 屬熔融，電離的N2, Ar等氣體（惰性氣體）和H2溶入熔融金屬，然后釋放出來，在氣體中形成了金屬的超微粒子，用離心收集器，過濾式收集器使微粒與氣體分離而獲得納米微粒。 超微粒的生成量隨等離子氣體中的氫氣濃度增加而上升。 活性氫-熔融金屬反應(yīng)法多級氫電弧等離子體反應(yīng)裝置該設(shè)備是崔作林、張志焜自行設(shè)計(jì)研制出的、具有獨(dú)立知識產(chǎn)權(quán)的我國首臺可連續(xù)工作的氫電弧等離子體納米材料制備設(shè)備。氣相還原法制備方法：主要是由H2或CO還原固態(tài)金屬鐵鹽。用H2在 N2氣氛中還原FeCl2nH2O 制備-Fe 納

5、米粉末。 優(yōu)點(diǎn)：鐵晶粒徑分布均勻，產(chǎn)物單一，結(jié)晶好， 顆粒粒度小(可達(dá)310nm)，純度高缺點(diǎn)：設(shè)備要求較高，操作有難度。液相還原法制備方法：液相還原法指溶液中的金屬Fe鹽在強(qiáng)還原劑 （KBH4，NaBH4等）的作用下，還原為單質(zhì) 金屬鐵粒子。Fe2+/(Fe3+) +BH4-+H2OFe+B(OH)3+ H2優(yōu)點(diǎn): 原理簡單，組分容易控制，設(shè)備簡單，可操作性 強(qiáng)。生產(chǎn)成本低缺點(diǎn)：粒徑分布不均勻，容易發(fā)生團(tuán)聚，洗滌過程很 容易發(fā)生氧化納米鐵在水處理中的應(yīng)用概況v去除有毒金屬v去除有機(jī)鹵代物 v去除水中無機(jī)離子v納米鐵脫色去除有毒金屬 機(jī) 理 納米鐵顆粒吸 附氧化還原有毒金屬如鉛、砷、汞、鉻等減

6、輕 去除納米鐵顆粒降低污染物毒性5倍鐵屑或鐵粉去除有機(jī)鹵代物 納米鐵能有效降解一系列常見鹵代烴有機(jī)污染物，包括氯代烴、氯化苯、農(nóng)藥、三鹵甲烷、氯化乙烯及其他多氯碳?xì)浠衔锏取?作用作用機(jī)理機(jī)理1. 鐵直接將表面電子轉(zhuǎn)移至有機(jī)氯化物使之脫氯2. 鐵腐蝕產(chǎn)生的Fe2+還原作用使部分有機(jī)氯化物脫氯3.鐵反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣可使鹵代烴還原（水作為電子接受體）4.是吸附作用去除水中無機(jī)離子 納米鐵去除硝酸鹽的原理主要是氧化還原作用和吸附作用，而其降解動力學(xué)尚未有定論，有學(xué)者認(rèn)為其反應(yīng)動力學(xué)與FeN比值有關(guān)。研究表明，實(shí)驗(yàn)室自制納米鐵粒子具有很高的活性，無需控制PH值即可與硝酸鹽迅速完全反應(yīng)，效果遠(yuǎn)優(yōu)于普通零價(jià)鐵。納米鐵脫色 目前偶氮染料的大量研究表明：當(dāng)零價(jià)鐵在適當(dāng)條件下與染料溶液接觸時(shí)。染料分子中的偶氮鍵將發(fā)生斷裂，破壞原染料的發(fā)色基或助色基，從而失去發(fā)色能力，達(dá)到脫