[发明专利]一种空气稳定型纳米零价铁及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种空气稳定型纳米零价铁及其制备方法和应用，以针铁矿、褐铁矿、赤铁矿等天然铁矿为前驱体，氢气为还原剂高温还原制备纳米零价铁，再以空气缓慢氧化纳米零价铁，在其表面形成3‑5nm的氧化铁层。本发明所用材料均为廉价易得的材料，制备方法简单、成本低，制备过程中没有额外引入其他元素，不含有毒有害元素。水处理过程中释放出的铁离子还可以形成絮凝剂去除磷酸根和其他污染物。

技术领域

本发明属于水处理的技术领域，特别涉及一种空气稳定型纳米零价铁及其制备方法和应用。

背景技术

地下水是重要的饮用水源之一，随着工农业的迅猛发展，生活污水、固体废物和工业废水的不合理处置，世界各国地下水均受到不同程度的污染，污染物包括卤代有机物、硝酸盐和重金属等。污染的地下水会对人类健康造成危害。

地下水的非点源污染问题要求对地下水修复技术采取原位修复，尽管反渗透法、离子交换法和电渗析法等处理方法已成功运用于饮用水的处理，但由于技术的复杂性而难以用于原位修复。生物修复技术需要向水体中投加一定的有机基质，有机基质不足，处理效果不理想，而有机基质过量或微生物大量繁殖，会带来二次污染。

渗透性反应墙(PRB)是一种原位修复技术，以零价铁(ZVI)为填料的PRB技术已成功应用于地下水硝酸盐、重金属和含氯有机物污染的修复。但是普通铁粉的还原活性不高，还原速率不快，且易受环境因素影响其还原活性，从而限制了其应用。

纳米零价铁(nZVI)由于纳米尺度效应，比普通ZVI具有更高的比表面积和化学反应活性，可更快速有效去除水体中污染物。除制成渗透性反应墙，对严重污染的区域，nZVI可以浆液形式注入地下污染区，nZVI随着水流迁移降解扩散、移动的污染物。

如中国专利CN201810032154中揭示的是铜铁二元材料，外面包覆水中钝化后形成的铁氧化物，三氧化二铁(Fe₂O₃)。其采用的纳米零价铁是液相还原制备的，即以水中亚铁离子为前驱体，硼氢化钠为还原剂制得纳米零价铁，液相还原反应式为：Fe²⁺+2BH₄^-+6H₂O→Fe⁰+2B(OH)₃+7H₂，因使用硼氢化钠，所以在材料中难免会有硼的残留，而硼是一种有毒的元素，在水处理过程中有可能释放出来，造成二次污染。而铜本身也是重金属，如果在水处理过程中释放出来就会造成重金属污染，这种二元材料在水处理过程中是否会释放出铜离子。而且新制备的nZVI化学活性极高，很容易与氧气或水发生腐蚀反应在颗粒表面生成铁氧化物，暴露在空气中即被剧烈氧化而自燃，使反应活性显著降低。因此在nZVI制备、转移、使用过程都需要无氧操作，给实际工程应用带来操作复杂的问题。通过对nZVI颗粒表面改性包覆形成壳-核结构可以抑制nZVI的深度氧化。液相还原法制备nZVI过程中，常以有机物、聚合物、贵金属或过渡金属、无定形二氧化硅和石墨等物质形成表面包覆层抑制nZVI氧化。但上述包覆改性方法存在制备方法复杂、包覆材料昂贵、有毒物质潜在的污染等缺点。

因此，本发明人对此做进一步研究，研发出一种空气稳定型纳米零价铁及其制备方法和应用，本案由此产生。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种空气稳定型纳米零价铁，防止其进一步氧化，使其具有较好的稳定性，避免暴露在空气中会快速氧化，同时保持较强活性。

本发明的目的之二在于提供一种空气稳定型纳米零价铁的制备方法，制备方法简单，成本低廉，制备过程中没有额外引入其他元素，不含有毒有害元素。

本发明的目的之三在于提供一种空气稳定型纳米零价铁的应用，可广泛应用于地下水处理，在水处理过程中释放出的铁离子还可以形成絮凝剂去除磷酸根和其他污染物。

为解决上述技术问题，本发明的技术解决方案是：