[发明专利]一种黏土矿物负载螯合态纳米零价铁及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种黏土矿物负载螯合态纳米零价铁及其制备方法和应用，属于重金属污染修复技术领域。采用含氮或含硫化合物包括N,N‑二甲基甲酰胺和三巯基均三嗪三钠盐螯合二价铁离子，然后与黏土矿物凹凸棒土混合，随后加入硼氢化钠还原为螯合态纳米零价铁，最终形成黏土矿物负载螯合态纳米零价铁，凹凸棒土来源广泛，价格低廉，制得的黏土矿物负载螯合态纳米零价铁电荷转移电阻较低、供电子能力较强，对重金属离子具有高效的去除效果，克服了零价铁对重金属离子去处能力低的缺点，增大了将该复合材料应用于实际重金属污染水体和土壤处理的可能性。

技术领域

本发明属于重金属污染修复技术，涉及一种黏土矿物负载螯合态纳米零价铁及其制备方法和应用。

背景技术

重金属是指密度大于5.0g/cm³的金属，过量的重金属进入环境中会降低大气、水体和土壤的质量，重金属污染具有隐蔽性、持久性和不可逆转性，在环境中难以降解，且能通过直接吸入、摄入和皮肤接触不断被放大积累在生物的某些器官中，其显著的生物毒性严重威胁动物和人类的健康。重金属污染遍及全球，中国作为世界上最大的金属生产和消费国之一，随着过去几十年社会经济的高速发展，严重的重金属污染问题在全国范围内逐渐蔓延，其中以铬(Cr)和镉(Cd)元素最为严重。水体和土壤中Cr的存在形式主要有两种价态：Cr(III)和Cr(VI)，其中Cr(VI)是一类致癌物，毒性大约是Cr(III)的100倍。土壤中的重金属会随着时间的推移渗入地下，造成地下水污染，最终流进动植物体内，威胁人类的生存和发展。

修复重金属污染技术主要有物理法、化学法和生物法。虽然经过多年研究已取得了很大进展，但仍存在修复过程中药剂投加量多、成本偏高、效率较低、持久性短以及对实际污染水体和土壤的应用性不强等不足。纳米零价铁原位还原修复技术属于原位化学还原法的范畴，是极具发展前景的修复重金属污染技术，具有以下优点：（1）不需对污染水体或土壤进行远程运输，节省了大量的运输费用；（2）施工费用较低，一般不需建造昂贵的工程设施、设备；（3）操作维护相对简单；（4）不搅动土层，不破坏土层的原貌，适宜于后期开发利用的场地；（5）能实现对深层土壤和地下水的修复，适合规模较大的修复工程。

从本质上讲，铁还原法属于化学修复范畴。Fe在自然界中可以Fe⁰、Fe²⁺、Fe³⁺三种价态存在。一般而言0价的Fe是不稳定的。Fe⁰极易被氧化为Fe²⁺。在水/土体系中，涉及到Fe(II)/Fe0的半电池反应为：

Fe²⁺+2→Fe⁰ （E⁰_Fe(II)/Fe(0)=-0.44V）

由化学热力学和化学反应动力学可知，由于上述反应的Eh为负值，Fe²⁺转变为Fe⁰是不易的。但是，一旦人工合成了Fe⁰而且被顺利输送至受污染的目标场所，其强还原性就成为了一种优势。Fe⁰易被氧化，受污染的目标中的重金属离子易得到Fe⁰的电子而被还原，从而实现修复土壤污染物的目的。

目前，国内外制备的纳米零价铁粒度为12nm~120nm范围。一般而言，粒度越小，暴露的活性组分Fe的表面越多，和污染物接触面就越大，修复污染物的效果就越好。同时也存在一些问题，如粒度越小，反应性越强，纳米零价铁越容易失活，而且加工成本也相应增加。纳米零价铁粒度的差异会同时影响到与重金属还原反应的反应速率以及反应容量。普通纳米铁粉性质活跃，易于发生氧化或聚集成团，其中有地球磁场的影响，也有颗粒间的静磁力缘由，物理上的键合引起的团聚称为软团聚，化学键合引起的团聚称为硬团聚，化学团聚难于打开，要想破坏纳米铁微粒的团聚，就需要在其制备阶段、保存阶段和使用阶段的每一步都使粒子稳定而避免团聚。