[發明專利]納米鐵顆粒的制備方法及其應用

有效

• 申請號: 201310360854.6
• 申請日: 2013-08-19
• 公開（公告）號: CN103394699A
• 公開（公告）日: 2013-11-20
• 發明（設計）人: 袁立;張偉賢
• 申請（專利權）人: 上海富大同諾環境科技有限公司
• 主分類號: B22F9/04
• 分類號: B22F9/04;C02F1/70;C02F1/58;C02F1/62
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 張磊

技術領域

本發明涉及一種納米鐵(1-1000nm)顆粒的制備方法及其應用。

背景技術

納米是一個尺寸單位，一納米等于十億分之一米。舉例說，頭發絲的直徑約為十萬納米(100微米)，一個普通的細菌(E₀Coli)的直徑約為1000納米。

納米技術指的是在納米層次上的物質合成，加工以及微小器件的生產和使用。納米技術不單是細小物質合成和生產，更重要的是利用新異的生物，物理，化學及環境性征。舉例說，碳是一個常用的不導電物質，但納米碳管(直徑約1.4納米)卻是一個極好的導體。金是一個極為穩定的惰性金屬，但納米金顆粒(<10納米)則是一個極為活潑的化學反應催化劑。

眾所周知，鐵是一個常見的比較活潑的金屬，鐵可以和水以及氧反應:

2Fe?+?0_2?+?4H^+?→?2Fe^2+?+?2H₂O????????????????(1)

Fe?+?H₂O?→?Fe^2+?+?H_2?+?2OH^-?????????????????(2)

以上的反應實際上是常見的鐵腐蝕反應，金屬鐵在上述反應的角色是一個還原劑(電子供給體):

Fe?→?Fe^2+?+?2e^{-??????????????????????????????????????????}(3)

氧化每一個鐵原子會釋放2個或3個電子。

Fe^2+?→?Fe^3+?+e^{-???????????????????????????????????????????}(4)

在環境條件單純的情況下，氧或者水分子是電子的接受體。

鐵在環境的應用在于利用鐵氧化時釋放的電子用于還原環境污染物。舉例說，鎳離子(Ni²⁺)可以被金屬鐵還原：

Fe?+?Ni^2+?→?Fe^2+?+?Ni????????????????????(5)

?同樣，鐵可以用于還原很多有機污染物，氯化碳可以被鐵還原成甲烷。例如：

4Fe?+?CCl₄?+?4H^+?→?4Fe^2+?+?CH_4?+?4Cl^-???????????(6)

上述反應在文獻上均有報道，除此以外納米鐵顆粒的優點有:

1、大比表面積。顆粒的比表面積與其直徑成反比，顆粒越大，比表面積越小。舉例說，比較1毫米和1納米的顆粒，直徑為1納米的顆粒將比1毫米顆粒的表面積大一百萬倍。大表面積的效果是大的反應表，也就是說小的顆粒會產生高的反應率。這一點對于環境污染物的轉化和處理是非常重要的；

2、提高物料使用效率。眾所周知位于外表面的鐵原子直接參于化學反應對于大顆粒來說，只有極小部分的原子位于顆粒表面。對納米顆粒來說，則有相當大的一部分原子能直接參于化學反應，從而大大提高了反應速度及效率；

3、分散性及懸浮性。納米顆粒的另外一個顯明的特征是高度的分散性和懸浮性。當顆粒直徑小于100納米時，布朗運動的作用就更加明顯，由重力產生的沉淀則顯得不太重要了。大顆粒沉淀較快，因此，相對來說，用納米顆粒來制備比較穩定的懸浮液是有可能的。高度的分散性，穩定的懸浮液，使得納米顆粒有很多新用途，比如納米鐵可以很容易地注入地下水，與污染的土壤混合，加入到污水中等等。而且由于納米顆粒極大的表面積，只要用少量的納米顆粒就有可能處理較大量的污水和污泥。

納米鐵顆粒指的是直徑小于100納米的金屬鐵[Fe(0)]顆粒，有以下三種方法可以用于合成納米鐵顆粒:

第一種方法：硼氫化鈉還原法

硼氫化物是一種較強的還原劑，可以還原二價及三價的鐵離子。

4Fe^3+?+?3BH₄^-?+?9H₂O?→?4Fe↓?+?3H₂BO₃^-?+?12H^+?+?6H_2??(7)

被還原的鐵通常是小于200納米的球形顆粒。