[发明专利]一种硅氧化物包覆纳米零价铁粒子及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种硅氧化物包覆纳米零价铁粒子及其制备方法和应用。所述粒子以纳米零价铁为核心，以硅氧化物为包覆层，通过在惰性气体氛围下，向铁盐和无机硅酸盐的混合溶液中加入NaBH₄或KBH₄还原剂一步反应制备得到。其制备为：将铁盐加入到无机硅酸盐溶液中，惰性气体氛围下搅拌获得混合溶液；逐滴加入还原剂NaBH₄或KBH₄溶液，惰性气体氛围下搅拌进行反应，得沉淀物，分离、清洗、真空干燥即得产物。本发明通过一步简单液相还原法制备得到硅氧化物包覆的纳米零价铁，工艺简单，原料廉价易得、无毒无害，所得新型纳米零价铁粒子分散性好，平均粒径小且均一，抗氧化能力强，适用于处理有机废水。

技术领域

本发明属于纳米材料制备技术领域，具体涉及一种硅氧化物包覆纳米零价铁粒子及其制备方法和应用。

背景技术

采用纳米零价铁(nZVI)还原去除环境中有害污染物是近年来国内外广泛研究的技术。作为一种优良电子供体的nZVI相比于普通零价铁粉，不仅具有颗粒直径小、比表面积大，同时纳米尺寸优势更为其提供丰富的反应活性位点，加速污染物处理效率。目前，该技术现已被应用在水体中硝态氮、高价重金属离子、有机卤代物、硝基化合物等有害物的去除工艺中。但在实际工艺实施过程中，发现仍有一些缺点亟待解决：(1)团聚。nZVI颗粒表面能高，又由于强顺磁性的存在，易发生团聚现象。(2)氧化。nZVI在空气稳定性差，暴露于空气中强还原活性使其很容易被氧化，保存条件严苛。(3)钝化。nZVI与污染物反应后本身会生成许多铁氧化物沉淀附着在表面，持续的还原活性难以保证。(4)回收效率低下。nZVI在使用后，由于氧化、钝化等原因，回收二次使用效果会大幅降低，重复利用率低。此外，较强电子供给能力的nZVI应用在水体修复中会造成局部pH的攀升，加速其钝化失活。

目前，关于纳米零价铁的制备方法已有很多，根据相态分类主要分为气相制备、固相制备、液相制备。其中，气相制备虽然零价铁颗粒粒径小、分散均匀，但设备要求高、操作难度大；固相制备操作虽简单，但颗粒不均一、差异性大且易团聚；液相制备操作要求低，设备和原理相对简单、因而实用性强、应用范围更广。但液相制备nZVI仍存在的颗粒分布不均、易团聚、分散性差、反应活性低等问题，因而许多改进的液相还原法应运而生，主要通过添加分散剂、载体来规避上述缺陷。其中，罗斯在“一种海藻酸钠微胶囊负载纳米铁颗粒的制备方法”(专利申请号：201310104440.7)中，利用海藻酸钠微胶囊进行负载，该改进技术虽提高了纳米铁的抗氧化性和稳定性，但其制备工艺既繁琐又耗时，同时分离纯化过程中引入了大分子有机物的参与导致一定的环境污染问题；金朝晖在“硅微粉负载型纳米零价铁离子及其制备方法”(专利申请号：200910069677.X)中，利用硅微粉负载，提高了纳米零价铁颗粒的抗团聚性，但该制备过程中需要在体系中添加强盐酸对基底硅微粉进行预先改性后再分离，工艺既需分批、多次的复杂性操作又要强酸参与才能获得负载型nZVI，使其制备成本大幅度提高。因此，开发一种工艺简单、颗粒分散性好、稳定性强、使用寿命高、无毒无害且能在水体中能长效稳定使用的新型纳米零价铁显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种硅氧化物包覆硅化纳米零价铁粒子及其制备方法和应用。通过一步简单液相还原法制备得到硅氧化物包覆纳米零价铁，制备工艺简单，原料廉价易得、无毒无害，所得该纳米零价铁粒子分散性好，平均粒径小且均一，抗氧化能力强，适用于处理有机废水。

为了解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：

提供一种硅氧化物包覆纳米零价铁粒子，该粒子以纳米零价铁为核心，以硅氧化物为包覆层，通过在惰性气体氛围下，向铁盐和无机硅酸盐的混合溶液中加入NaBH₄或KBH₄还原剂一步反应制备得到。

按上述方案，所述硅氧化物包覆纳米零价铁粒子的粒径为20～60nm。

按上述方案，所述核心纳米零价铁和硅氧化物包覆层的厚度比为5～15：1。