[发明专利]一种纤维素改性纳米零价铁的超重力制备方法和装置

说明书

本发明公开了一种纤维素改性纳米零价铁的超重力制备方法和装置，属纳米材料技术领域。目的在于提供一种连续制备纤维素改性纳米零价铁的方法，该方法将纤维素与铁盐的混合溶液和还原剂同时送入超重力反应器中反应，反应结束后磁分离反应产物，去离子水反复清洗至中性，真空干燥得到纤维素改性纳米零价铁颗粒。该方法一步制备纤维素改性零价铁纳米颗粒，工艺简单、反应时间短、成本低、可规模化生产，同时制备的纤维素改性纳米零价铁粒径小、分散性良好、稳定性良好、反应活性高，具有工业化应用前景。

技术领域

本发明涉及一种纤维素改性纳米零价铁的超重力制备方法和装置，属于纳米材料制备技术领域。

背景技术

纳米零价铁（Nano Zerovalent iron, NZVI）由于具有比普通零价铁更大的比表面积、更强的反应活性等优点，可广泛的用于磁流变流体制备、磁共振成像、磁记录材料开发、催化剂环境修复等众多领域。目前，已有多种物理、化学的方法用于零价铁纳米颗粒的制备。其中，液相还原法作为实验室制备纳米零价铁最常用的方法，是在水溶液中利用碱金属硼氢化物还原Fe(II)和Fe(III)制备纳米零价铁，其最大的优点在于操作简单，实验条件温和。但该方法制备的纳米零价铁容易氧化和团聚，这使得纳米零价铁在应用中受到限制。因此对纳米零价铁进行改性减少团聚，增强抗氧化性是近几年研究的热点。

纳米零价铁表面包覆是对其表面进行改性，一方面通过静电作用和空间位阻作用降低纳米颗粒表面能态减少团聚，另一方面通过增加颗粒的比表面积，增强其表面反应活性。在已报道的包覆材料中，水溶性的天然高分子多糖由于其廉价、环境友好而被作为一种优秀的稳定分散剂。纤维素是地球上最丰富且可再生的天然高分子，是一种纤维状、多毛细管的立体规整性的高分子聚合物，具有多孔及其比表面积大的特性，其基本结构单元是D-吡喃葡萄糖基通过β-1,4糖苷键连接，分子链中每个葡萄糖单元有三个活泼的羟基，极易发生氧化、酯化、醚化、接枝共聚等反应。因此，将纤维素作为稳定剂，不仅能在纳米零价铁合成的过程中有效地控制纳米粒子的粒径，还能改善纳米零价铁在液相中的团聚，从而提高纳米零价铁的稳定性和反应活性。

通常纤维素改性纳米零价铁可以通过以下方法得到：(1)两步法：首先采用液相还原法制备出纳米零价铁，然后将纤维素物理性吸附到制备好的纳米零价铁上，此方法制备过程复杂，不利于大规模工业化生产；(2) 一步法：在纤维素存在的条件下，采用液相还原法合成纳米零价铁，同时稳定纳米零价铁。不同的包覆改性方法对制备的纳米零价铁的稳定性有影响，一般一步法是化学沉淀过程，在纤维素稳定剂存在的情况下合成纳米零价铁，在纳米零价铁形成过程中使纤维素从溶剂中沉淀出来。此方法虽然制备过程简单，但是其反应装置通常为搅拌式反应器，是利用搅拌桨的剪切力使反应物料强烈分散混合反应，属于间歇操作，其微观混合均匀的时间约为0.01~0.2 s。由于硼氢化物还原铁离子生成零价铁单质，是一个快速的反应沉淀过程，其成核的特征时间约为1ms（毫秒），因此在传统的搅拌式反应器中分子尺度上的传递和混合速率远小于液相还原沉淀的成核速率，从而导致成核和生长过程处于分子尺度上的不均匀环境，由此采用传统搅拌式反应器制备的纤维素改性纳米零价铁存在粒径分布不均匀且批量生产重现性差、过程放大效应大等工业性难题。因此，开发可以连续批量制备纳米零价铁复合材料的新工艺和新方法是纳米零价铁改性所要解决的关键性问题。

发明内容

本发明旨在提供一种纤维素改性纳米零价铁的超重力制备方法和装置，一步制备纤维素改性纳米零价铁，该方法具有工艺简单、反应时间短、成本低、可规模化生产的特点，同时制备的纤维素改性纳米零价铁分散性好、稳定性好、反应活性高、粒径小，具有工业化应用前景。