零价铁纳米颗粒的可控制备及其去除废水中Cr(Ⅵ)污染物实验研究

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零价铁纳米颗粒具有异于本体物质的独特性能,实现其可控制备有助于相关理论研究和实际应用。本文以不同地区蒙脱石、不同质子化程度聚乙烯亚胺(PEI)改性三鼎蒙脱石为载体,在硼氢化钠液相还原体系中尝试可控制备负载型零价铁纳米颗粒。以所得三鼎蒙脱石负载型铁纳米颗粒(尺寸最小)为吸附剂,通过批次实验考察其去除废水中Cr(Ⅵ)的效率、过程及机理,研究成果有望为纳米零价铁材料的开发制备及其水体铬污染修复应用提供理论和实验支持。本文主要研究成果如下:(1)蒙脱石阳离子交换容量、N2-BET比表面积对负载型零价铁纳米颗粒尺寸影响显著,阳离子交换容量越大、N2-BET比表面积越大越容易获得尺寸较小的负载型铁纳米颗粒。以阳离子交换量最大、比表面积较大的三鼎蒙脱石为载体成功制备出尺寸较小(平均粒径约为55.3nm,远小于均匀成核的单纯零价铁颗粒尺寸71.5nm)、近似球形的零价铁纳米颗粒,该颗粒具零价铁内核-铁氧化物外壳结构,可在空气氛中稳定存在。(2)PEI质子化程度对负载型零价铁纳米颗粒的尺寸、形貌、分布以及物相有重要且复杂的影响。90%质子化程度下获得尺寸较小(平均粒径约为63nm)近似球形的核-壳结构零价铁颗粒,该颗粒在PEI改性蒙脱石上分散良好,多晶零价铁核心被自生无定形铁氧化物包覆,赋予铁颗粒良好的抗氧化性。获得该零价铁颗粒主要取决于三个因素:(a)蒙脱石表面的PEI分子构象,(b)蒙脱石的卡房结构发育程度,(c)PEI上的未质子化氨基与三价铁离子前驱体的络合作用。制备过程中形成了卡房状结构蒙脱石聚集体(干燥状态下),形成机理为,将最终分散体中的PEI改性蒙脱石于适宜的条件下洗涤、干燥(用乙醇和丙酮的稀释剂洗涤、于25℃下真空干燥)。(3)以三鼎蒙脱石/零价铁纳米复合材料去除废水中Cr(Ⅵ)污染物受体系pH影响显著,最优p H值1.0条件下,零价铁内核因其表面氧化膜的酸溶而出露、可作为有效成份快速高效去除废水中Cr(Ⅵ)污染物,机理为零价铁将吸附至其表面的Cr(Ⅵ)异相还原为Cr(III)而去除。除污属自发放热吸附过程,动力学行为符合准二级模型,吸附等温线可用Langmuir方程较好拟合。热力学参数值表明此吸附为自发放热过程,且在吸附过程中固-液界面熵减少,反映了较占优势的化学吸附特点。
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