[发明专利]一种纤维素纳米晶负载纳米零价铁复合材料、及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种纤维素纳米晶负载纳米零价铁复合材料、及其制备方法和应用，利用纳米零价铁修复砷污染的地下水是一种有效的技术，但纳米零价铁的快速和严重聚集限制了其实际应用，而纤维素纳米晶的除砷效果也较差。因此，本发明受贻贝的粘性蛋白质启发，利用多巴胺的自聚性，将纳米零价铁固定在多巴胺改性的纤维素纳米晶表面，作为一种有效的地下水修复材料。实施例结果表明，本发明的对As(III)As(V)的最大吸附容量分别为300.81mg/g，和297.40mg/g，与纤维素纳米晶和纯纳米零价铁相比，本发明提供的材料是一种经济且有应用前景的地下水砷污染修复材料。

技术领域

本发明涉及水处理领域，尤其涉及一种纤维素纳米晶负载纳米零价铁复合材料、及其制备方法和应用。

背景技术

地下水砷(As)污染是一个世界性的环境问题，由于其对全球人类健康的不利影响而引起广泛关注。砷在水环境中主要以两种无机化合物形式存在，即亚砷酸盐(As(III))和砷酸盐(As(V))。重要的是，与As (V)相比，As(III)的毒性大约是As(V)的60倍。研究表明，长期接触砷污染的水会对身体和心理产生有害影响，如皮肤损伤、膀胱癌、肝癌、肾癌、鼻腔癌，甚至在极端情况下会导致死亡。

在过去的二十年中，纳米零价铁(nZVI)因其成本低、反应活性高、易获得和还原性强等特点被广泛的应用于修复污染水体，是地下水和工业水修复的高效反应介质材料。遗憾的是，由于表面钝化层的形成和不必要的析氢反应， nZVI存在一些限制，如其颗粒易团聚沉淀、快速失活和电子利用率低，这缩短了其反应寿命，并显著抑制了其在地下水修复中的应用。此外，在水中直接使用nZVI会产生二次污染，因为纳米颗粒本身被认为是一类新兴的污染物。

为解决上述问题，现有技术中，公开了例如使用传统高分子羧甲基纤维素钠(CMC)修饰nZVI。实验证明：CMC修饰的nZVI颗粒(CMC-nZVI)在水环境中虽具有一定的分散性和提升nZVI对Cr(VI)去除率的效果，但由于传统 CMC的缓释效果不明显和一步法合成的局限性，导致CMC-nZVI仍具有明显的团聚现象、吸附容量低、吸附速率慢和负载量低等缺点。更严重的是，在有些复合材料合成过程中添加有毒交联剂如环氧氯丙烷等有机物质存在二次污染问题，限制了其进一步的广泛应用。

鉴于此，有必要提供一种纤维素纳米晶负载纳米零价铁复合材料、及其制备方法和应用，以解决或至少缓解上述现有材料对砷的去除效率低和地下水修复困难等问题。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种纤维素纳米晶负载纳米零价铁复合材料、及其制备方法和应用，旨在解决或至少缓解上述现有材料对砷的去除效率低和地下水修复困难等问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种纤维素纳米晶负载纳米零价铁复合材料，包括多巴胺改性的纤维素纳米晶和纳米零价铁，所述纳米零价铁均匀地负载于所述多巴胺改性的纤维素纳米晶上；

其中，nZVI被固定在聚多巴胺包覆的纤维素纳米晶(CNCs-PDA-nZVI) 表面，nZVI的引入有望显著提高CNCs的除砷性能，而CNCs赋予nZVI超高分散性。

进一步地，所述纳米零价铁(nZVI)包括氧化钝化层，其中，所述氧化钝化层由铁的氢氧化物形成。

进一步地，所述复合材料用于地下水砷污染修复。

本发明还提供一种纤维素纳米晶负载纳米零价铁复合材料的制备方法，包括步骤：

S1，将纤维素纳米晶与缓冲溶液混合后，加入多巴胺，然后进行避光反应，得避光反应后的产物；

S2，对所述避光反应后的产物依次进行洗涤和干燥的操作，得多巴胺改性的纤维素纳米晶(CNCs-PDA)；

S3，将所述多巴胺改性的纤维素纳米晶分散至水溶液中，然后在进行搅拌并通入氮气的条件下，加入亚铁盐溶液，得纤维素纳米晶-亚铁盐混合液；