基本信息
- 项目名称：
- PBTCA稳定纳米铁的制备及消除重金属污染的研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本项目以解决我国中低浓度重金属废水治理所面临的问题为目标，以纳米科学的前沿研究成果为基础，集中纳米、环境、化学等优势力量，开展学科交叉研究。本课题针对水中重金属污染物难以去除问题，研究单分散纳米零价铁材料的生产及制备方法，考察产品性能并对其进行多种手段表征及分析，在此基础上，研究和分析其在重金属污染水体修复中的可行性和作用机制，最终实现改善废水水质和恢复生态。
- 详细介绍：
- 本研究以纳米科学的前沿研究成果为基础，集中纳米、环境、化学等优势力量，开展学科交叉研究，是近年来国内外学者的研究热点之一。 (1)首次使用工业中常用阻垢缓蚀剂2-膦酸丁烷-1,2,4-三羧酸（简称PBTCA）作为纳米铁制备过程中的分散剂。PBTCA由于具有多个羧基及羟基，在纳米铁晶核成长、团聚过程中，既可借助空间位阻效应防止做布朗运动的粒子靠近,又可通过静电位阻稳定分散机理，利用聚合物分子层通过本身所带的电荷排斥周围的粒子产生复合稳定作用，生产高分散性纳米铁微粒。 (2)首次合成并利用XRD、SEM、TEM等准确表征了PBTCA稳定纳米铁的形貌及粒径组成，发现稳定后纳米铁团聚程度明显降低，纳米铁微粒粒径由原来的平均200nm下降到平均60-70nm，且组成成分未发生改变，仅由体心立方相（bcc铁）铁组成。 (3)利用PBTCA稳定纳米铁对水中重金属Cr6+进行处理后发现，去除率比稳定分散前提高10%—20%，是一种极具吸引力的新型环境修复材料。
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撰写目的和基本思路
- 目的：(1)对纳米铁颗粒进行单分散稳定，改进纳米铁材料目前存在的易团聚、易氧化两大关键技术问题，实现纳米铁材料的高分散性，抗氧化性性能。(2)稳定后纳米铁材料应用于重金属废水治理中，揭示纳米铁材料与重金属污染物作用机制及相关性。基本思路：(1)设计与制备新型纳米铁材料，考察制备的纳米铁材料对水中典型重金属污染物的去除效果和抗干扰能力。(2)揭示纳米铁材料与不同种类重金属水污染物的作用机制。
科学性、先进性及独特之处
- 科学性：本研究集中纳米、环境、化学等优势力量，开展学科交叉研究，是研究热点之一；本研究对于新型环境功能材料开发具有积极意义。 独特之处：首次使用PBTCA作为纳米铁制备过程中的分散剂；多种测试显示稳定后纳米铁团聚程度明显降低；利用PBTCA稳定纳米铁对水中Cr(VI)处理后发现，去除率比稳定分散前提高10%—20%。
应用价值和现实意义
- （1）通过单分散纳米铁微粒的可控制备为解决纳米铁颗粒的团聚问题提供一定的理论意义。 （2）本研究的设计思路对稳定纳米铁生产中分散剂的选择提供一定的理论依据。以本研究为基础发表的论文将会丰富本研究领域的内容。 （3）本研究所采用的原料价格便宜，所以对廉价、新颖的功能材料的开发也具有积极意义。
学术论文摘要
- 为改进污水治理技术，以控制或修复污染水体中的Cr(VI)，由硼氢化物还原法制备纳米级Fe0。通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）等测试手段对所制备的纳米级Fe0颗粒进行表征。以Cr(VI)为研究对象，批实验考查了纳米级Fe0投加量、pH值、温度、及Cu2+存在下对Cr(VI)去除率的影响。其结果表明：当Fe0投加量为0.02g、pH=8、温度为30℃时，纳米级Fe0对1.0-40.0mg/L Cr(VI)去除率均达到95%以上；Cu2+存在会抑制Cr(VI)的去除。实验结果显示，纳米级Fe0能快速的去除水体中的Cr(VI)；其投加量、pH值、温度是影响Cr(VI)的去除的主要因素，数据表明零价纳米铁在含铬废水领域具有较好的应用前景。
获奖情况
- 无
鉴定结果
- 1.申报作品－自然科学类学术论文一篇 题 目：PPTCA稳定纳米铁的制备及处理水中铬的研究 2.辽宁省科学技术情报研究所科技查新报告。 3.实物照片
参考文献
- [1]刘凤莲.零价铁脱除水中六价铬的实验研究[J].环境与健康杂志, 2009,26(2):139-141. [2]郝华.我国城市地下水污染现状及其基本对策[C].2003年中国环境资源法学研讨会论文集,2003,317-320. [3]孙景云.地下水饮用水源地的保护[J].环境科学,1996,17(5):20-24. [4]肖华文.中国的水资源危机.城乡建设.2004,9:11-25.
同类课题研究水平概述
- 纳米技术是在20世纪80年代发展起来的。近年来纳米技术在环境科学领域获得了广泛的应用,给环境污染现象的微观过程与机理研究注入了新的活力。纳米材料由于粒径小、比表面积大、活性强等特性，能有效去除环境中许多用常规化学方法或微生物法难降解的污染物，在治理废水及地下水的原位修复中已逐渐体现出优势来。但由于纳米零价铁自身存在磁性，颗粒间容易聚集成团，导致比表面积大大减小，反应活性相应降低，失去其作为纳米材料所具有的特异性能；另外一方面，由于纳米铁颗粒粒径极小，只有1-100nm，在空气中存在极易发生氧化甚至引起自燃，导致目前对于纳米零价铁的应用都是现用现制，严重限制了其大面积推广使用。鉴于以上问题，研究新型零价纳米铁材料的制备合成就成为必须、必要而且亟待解决的问题。 在纳米材料的可控合成方面，Ai等用自制铁-α三氧化二铁核-壳结构纳米线去除水体中六价铬，实验表明该结构纳米线只适用于处理低浓度含铬废水。Zhang等用浸渍法制备Pd/Fe颗粒,作还原剂和催化剂可去除水中的含氯有机物,同时还能转化其他污染物如一些负离子(硝酸根离子、重铬酸根离子)、重金属(镍离子、汞离子)、放射性污染物等。另外还用铁粉、市售的铁粉做对比实验,发现Pd/Fe颗粒明显优于铁粉和市售铁粉。Y.Xu等用Fe/Ag双金属颗粒对氯苯的降解进行了研究。首先用硼氢化钠还原硫酸铁得到纳米铁粉,然后使银离子沉积在新制备的纳米铁粉上,得到纳米Fe/Ag双金属颗粒，可有效降解六氯苯、五氯苯和四氯苯。Fe/Ag能完全替代Pd/Fe,用于氯苯和多氯联苯的降解。H.L.Lien等用3种颗粒进行了对比实验:纳米Fe、纳米Pd/Fe和常规Fe。结果表明:Pd/Fe纳米颗粒能快速降解四氯化碳和三氯甲烷;同样条件下,纳米铁和常规铁的降解速度要慢得多。 朱慧杰等以活性炭为载体制备了负载型纳米铁，用于去除饮用水中As（Ⅲ），结果不仅吸附容量增大，吸附速率提高，而且吸附达平衡后对吸附剂进行再生，效果良好，没有发现吸附剂破损，表明吸附剂具有良好的耐磨性和机械强度，具有很好的应用前景。 综上所述，尽管纳米铁材料在环境修复领域已经取得了很大的突破，但由于其自身存在的易氧化、易团聚等瓶颈问题，使其大面积使用严重受限。降低经济成本、开发新型纳米铁材料，推动其在环境领域的应用是目前首要工作。
