简便制备用于去除水环境中Cd(Ⅱ)的载纳米零价铁活性炭-易炭网

文章标题

Facile Preparation of Activated Carbon Supported Nano Zero-Valent Iron for Cd(Ⅱ) Removal in Aqueous Environment

简便制备用于去除水环境中Cd(Ⅱ)的载纳米零价铁活性炭

第一作者：Xingfeng cao

通讯作者：Liheng Liu

第一单位：桂林理工大学环境科学与工程学院

文章亮点

1.提出了一种使用固体还原剂的液相还原法。

2.该方法成功合成了纳米零价铁/活性炭。

3.该方法生产出的零价铁粒径更小，含量更高。

4.该方法不需要使用乙醇和分散剂。

5.该方法合成的材料具有更好的Cd(II)去除率。

摘要详文

（1）活性炭支撑的纳米零价铁（nZVI@AC）被认为是最有前途的水环境污染物原位修复材料之一，而液相还原（LPR）是 nZVI@AC 最常用的制备方法之一。然而，复杂的操作和对各种药剂的要求限制了传统液相还原法（TLPR）的实际应用。

（2）本研究提出了一种改进的液相还原法（ILPR），其特点是还原剂的固态投加。与 TLPR 相比，ILPR 简化了制备过程，同时不需要聚乙二醇和乙醇。

（3）以Cd(II)去除效率作为评价指标时，ILPR 的优选参数如下：AC/FeSO₄-7H₂O质量比为15:1；NaBH₄用量为8g；超声时间为1h；搅拌时间为20min。此外，ILPR制备的nZVI@AC(nZVI@AC-I)对Cd(II)的去除率大于92.00%，优于TLPR制备的nZVI@AC(nZVI@AC-T)。

（4）表征结果表明，nZVI@AC-I 和 nZVI@AC-T 的孔隙参数、表面官能团和铁含量基本相同。然而，含铁颗粒在 nZVI@AC-I 表面的分布更为均匀。此外，nZVI@AC-I 中的 Fe0 粒径更小，含量更高。总之，这项研究为 nZVI@AC 的制备提供了一种很有前景的方法。

Graphical abstract

研究引入

纳米零价铁（nZVI）具有反应性强、去除效率高、还原电位高、活性点位丰富等优点，被认为是最有前途的环境功能材料之一。近年来，nZVI被广泛应用于去除水环境中的重金属离子、抗生素和多环芳烃等，并取得良好效果。然而，受纳米效应和自身磁性的影响，零价铁颗粒易于钝化和团聚从而使得表面活性降低。此外，nZVI也很容易被氧化而形成致密的氧化膜，这阻碍了污染物去除过程中电子的传递和物质的转移。为了避免这些问题，学者们通常选择将纳米零价铁负载到相关载体上。

活性炭（AC）是一种耐酸耐碱、廉价易得且具有高比表面积和发达孔隙结构的碳材料，被认为是一种优秀的nZVI载体。AC支持的nZVI（nZVI@AC）不仅可以有效避免nZVI颗粒的团聚，同时可以提高污染物的去除效率。目前，制备nZVI@AC的方法主要有三种：液相还原法、固相还原法、以及电化学沉积法。其中，液相还原法是一种使用活性还原剂溶液将高价态的铁还原为零价的方法。由于液相还原法成本较低、分散性较好以及所制备的nZVI颗粒粒径小，受到了更多研究者的青睐，是目前制备nZVI复合材料最常用的方法之一。然而，传统（或常规）的液相还原法（TLPR）一般需要各种化学试剂和复杂精细的操作，例如通过使用分散剂和无水乙醇来实现nZVI颗粒的均匀分布并减少其颗粒大小，这些因素限制了它在实践中的大规模应用。另外，TLPR使用的还原剂溶液需要现配现用，长期存放时还原剂可以将氢离子还原成氢气，导致还原成分的损失。以前的研究还指出，由于缺乏预稳定处理，TLPR会导致nZVI无法牢固地负载在活性炭上。

本章提出了一种利用固体还原剂制备nZVI@AC的改进型液相还原法（ILPR）。以环境修复中最受关注的污染物之一Cd²⁺的去除效率作为评价指标，通过正交实验和单因素分析确定了优化的工艺参数。同时还研究了TLPR和ILPR制备的nZVI@ACs的理化性质差异。

图 1. 操作因素对 nZVI@AC 去除Cd(Ⅱ)的影响

图 2. 其他因素对 nZVI@AC 去除Cd(Ⅱ)的影响

图 3. (a) 77 K 时 nZVI@AC-I 和 nZVI@AC-T 的 N₂ 吸附/解吸等温线 (b) nZVI@AC-I 和 nZVI@AC-T 的 XRD 图 (c) nZVI@AC-I 和 nZVI@AC-T 的傅立叶变换红外光谱。

图 4. AC、nZVI@AC-I 和 nZVI@AC-T 的扫描电镜图像、表面元素分布和 EDS 分析

图 5. Fe 2p 的 XPS 分析

文章结论

（1）本研究系统研究了一种用于制备 nZVI@AC 的改良液相还原（ILPR）方法。当以Cd(Ⅱ)的去除率作为评价指标时，各因素的影响顺序为 NaBH₄ 用量 > AC/FeSO₄-7H₂O 质量比 > 超声时间 > 搅拌时间。

（2）优化工艺如下：AC/FeSO₄-7H₂O 的质量比为 15:1；NaBH₄ 用量为 8 g；超声时间为 1 h；搅拌时间为 20 min。ILPR法制备的nZVI@AC对Cd(II)的去除率高于92.00%，优于TLPR法制备的nZVI@AC（nZVI@AC-T）。这也表明，固体添加 NaBH4 有利于Cd(Ⅱ)的去除。

（3）此外，即使不使用聚乙二醇和乙醇，nZVI@AC-I 对 Cd(II) 的去除率也没有受到影响。相应的表征结果表明，nZVI@AC-I 和 nZVI@AC-T 的多孔结构参数、铁含量和傅立叶变换红外光谱基本相同。然而，nZVI@AC-I 表面的含铁颗粒分布更均匀，nZVI@AC-I 中的 Fe0 粒径更小，含量更高。总之，ILPR 是一种成功的 nZVI@AC 制备方法。