[发明专利]一种包覆型纳米零价铁材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种包覆型纳米零价铁材料及其制备方法和应用，该材料以纳米零价铁为核心，在其表面包覆有氢氧化镁纳米颗粒。本发明制备方法操作简单，成本低，不产生二次污染，修饰后的纳米零价铁在水溶液中的悬浮稳定性、抗氧化性和在多孔介质中的穿透性都有显著提升。在反应器中处理废液时，可通过简单的预处理过程控制氢氧化镁包覆纳米零价铁中零价铁反应活性的释放；在原位修复处理地下水时，氢氧化镁包覆层可显著提升纳米零价铁对污染物的处理效果，延长纳米零价铁的使用寿命，提高了运用纳米零价铁于环境修复的可行性。

技术领域

本发明涉及一种纳米材料及其制备方法及其在环境修复中的应用，尤其涉及以纳米零价铁颗粒为核心的包覆型环境纳米材料及其制备方法与应用。

背景技术

纳米零价铁的高比表面积使其具有高反应活性，应用于地下水修复时，可快速去除环境中的六价铬、砷、氯代烃和硝基苯酚等污染物，相对于微米和普通零价铁粉有更好的市场前景。但是，零价铁的高磁性导致其纳米颗粒容易形成尺寸更大的团聚物。团聚物由于重力沉降和土壤吸附作用，难以随地下水迁移渗透至更广的区域。纳米零价铁的聚合也减少了表面活性位点，降低了去除污染物的能力。另外，由于纳米零价铁的高活性，其表面在空气与水环境中容易被氧化腐蚀，形成钝化的氧化铁表面，从而大大降低使反应速率。即使在厌氧的水环境中，纳米零价铁也会被氢离子氧化，产生氢气和亚铁离子。

目前针对纳米零价铁团聚的局限性，主要的解决办法包括：在有机高分子表面活性剂的溶液中合成纳米零价铁，如羧甲基纤维素[Trishikhi Raychoudhury,etc.Journalof Contaminant Hydrology,2010,25,143-151.]，使纳米零价铁表面携带具有大量带电基团的多聚物；或在具有高表面电荷的无机纳米颗粒的悬浊液中合成纳米零价铁，如二氧化硅Yongchao Li,etc.Journal of Environmental Sciences,2011,23,1211-1218]，使纳米零价铁在形成的过程中负载于其它纳米颗粒的表面，防止进一步团聚。

然而，这些方法要消耗大量的修饰材料来提供足够的经静电斥力来保证磁性零价铁在水中处于悬浮状态。这不仅增加使用纳米零价铁处理地下水污染的成本，而且会给地下水的环境与生态系统带来潜在的二次污染。此外，目前的一些修饰材料虽然可以在一定程度上减缓零价铁被氧化腐蚀的速度，如零价铁表面吸附有机高分子表面活性剂，但无法根本解决实际应用中零价铁表面活性损失的问题，无法达到延长零价铁使用寿命的目的。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种纳米零价铁的修饰方法，同时解决纳米零价铁在环境应用时的团聚和氧化腐蚀等问题。

本发明提供了一种包覆型纳米零价铁材料，该材料以纳米零价铁为核心，在其表面包覆有氢氧化镁纳米颗粒。

根据本发明提供的包覆型纳米零价铁材料，其中，所述纳米零价铁的粒径可以为10～200nm，优选为50～100nm。

根据本发明提供的包覆型纳米零价铁材料，其中，所述氢氧化镁纳米颗粒的粒径可以为700～1700nm，优选为900～1500nm。

在本发明提供的包覆型纳米零价铁材料中，所述氢氧化镁纳米颗粒与纳米零价铁的重量比可以为0.25～2.5:1(约相当于镁质量与铁质量的比为0.1～1:1)，优选为0.5～2.0:1。

本发明还提供了上述包覆型纳米零价铁材料的制备方法，该方法包括如下步骤：

(1)在惰性气氛中，使用超声将纳米零价铁颗粒均匀分散于无水醇中，得到纳米零价铁悬浊液；

(2)向步骤(1)得到的悬浊液中加入MgCl₂的无水醇溶液；

(3)在持续超声和惰性气氛中，向步骤(2)得到的溶液中加入NaOH的无水醇溶液，继续超声，使Mg(OH)₂沉淀完全并稳定地包覆在纳米零价铁表面，得到包覆型纳米零价铁悬浊液；