[发明专利]用于原位修复地下水污染的多孔硅包覆零价铁材料的制法

说明书

本发明涉及一种用于原位修复地下水污染的多孔硅包覆零价铁材料的制法，属于纳米及环境修复新材料领域。在乙醇、水和正硅酸乙酯的混合溶液中加入三氯化铁，混合均匀后滴加硼氢化钾或硼氢化钠与氢氧化钠的混合溶液，反应结束后磁性分离、洗涤、真空干燥。制备过程在惰性气体保护下进行。所制备的多孔硅包覆零价铁材料的比表面积大且颗粒尺寸在胶体颗粒迁移通过含水层多孔介质的最佳尺寸范围（0.1~1µm）内，相比未包覆的零价铁，其活性和在含水层多孔介质中的迁移能力都得到了极大地提高，克服了纳米铁的活性易被地下水化学成分削弱的缺点，降低了二次污染和由铁离子溶脱所造成的生态毒性，可用于原位修复地下水污染。

技术领域

本发明涉及纳米及环境修复新材料领域，特别涉及一种用于原位修复地下水污染的多孔硅包覆零价铁材料的制法。

背景技术

纳米铁作为一种新型的环境修复材料，具有较高的比表面积和反应活性，能处理多种环境污染物，成为了国内外研究和应用的热点。同时，纳米级的颗粒尺寸（50~100 nm）使其可以直接被注入到污染含水层中进行污染物的降解，在原位修复地下水污染中具有较大的应用潜力。相比于地下水异位修复来说，原位修复不需要开挖沟槽，具有经济、环保、容易操作等优点。

但是纳米铁容易氧化和团聚，这会降低其反应活性和其在含水层中的迁移能力。根据Tufenkji-Elimelech模型预测，多孔介质中颗粒迁移的最佳尺寸范围为0.1~1 μm，而团聚后的纳米铁通常会成为微米甚至毫米级的絮状体，导致纳米铁浆液从注入井向下游的最大迁移距离仅为几厘米，严重限制其在实际场地中的应用。因此，需要对纳米铁进行改性来提高其抗氧化和团聚的能力，同时增强纳米铁对污染物的降解效果和在地下含水层的迁移能力。

常见的改性试剂通常有自然或人工合成的聚合物和表面活性剂，如羧甲基纤维素、壳聚糖、淀粉、和十二烷基苯磺酸钠等。不过，在经过这类改性试剂改性后的纳米铁，虽然其抗氧化能力和分散性得到了一定程度的提高，但所注入的改性剂可能会引起地下水的二次污染；而且改性后纳米铁对地下水中的化学成分还比较敏感，甚至会因此而造成活性的减弱；此外，改性的纳米铁在降解污染物的过程中会有铁离子的溶脱，而当大量的铁离子（Fe³⁺或Fe²⁺）进入地下水后又可能会对地下水中的土著微生物造成一定的毒性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于原位修复地下水污染的多孔硅包覆零价铁材料的制法，解决纳米铁在原位修复地下水污染中的易氧化、易团聚、迁移性差、活性易被地下水化学成分削弱、生态毒性和二次污染等问题，提供了一种可用于原位修复地下水污染的多孔硅包覆零价铁材料的制备方法。本发明以多孔硅材料作为零价铁的表面包覆层，不仅有效的防止了零价铁的团聚，也可以减缓零价铁的氧化速度；此外包覆层所具有的可渗透性的多孔结构有利于污染物与零价铁的接触，提高了零价铁的反应活性。通过调控合成条件还可以将多孔硅包覆的零价铁颗粒的尺寸控制在胶体颗粒迁移通过含水层多孔介质的最佳尺寸范围（0.1~1 µm）内，材料表面的负电性也有利于其在土壤颗粒中迁移并形成有效的化学反应带。

多孔硅材料有着较大的比表面积、较高的孔隙率和空隙体积，被广泛的应用于吸附、催化、药物缓释和生物传感器等领域。其中多孔二氧化硅包覆技术是一种非常简单有效的表面修饰方法，可以有效的防止金属纳米颗粒的团聚和腐蚀，并且多孔结构的包覆层和大的比表面积可以增强传质效率，从而提高金属纳米颗粒的活性。此外，二氧化硅所形成的包覆层的物理和化学稳定性较好，可以对内部的纳米金属颗粒起到一定的保护作用，并减弱外界环境因素对内部的纳米金属颗粒的刺激；二氧化硅包覆层表面的硅羟基可以和Fe³⁺络合，防止纳米铁在与污染物反应的过程中有铁离子溶脱进入水中，因此可有效的降低纳米铁的生态毒性；而且硅本来就是地壳中的主要元素之一，应用在地下水修复中二次污染的风险较小。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

用于原位修复地下水污染的多孔硅包覆零价铁材料的制法，包括以下步骤：