采矿、冶金、电镀、印染、皮革以及一些化工企业等行业的迅速发展,带来大量含重金属废水排放到自然水体中。重金属毒性大且在生物链中容易被富集^[1]。在工业生产过程中排放的废水中含有大量的重金属元素,如Cu、Pb、Zn、Cr、Cd等。这些元素的超标会引起水体污染和人体中毒,威胁到人类健康。为了解决这一问题,需要采取有针对性的补救措施,以避免污染物通过食物链或积聚在人体内部,进一步威胁健康^[2]。重金属元素对水体的污染和危害应引起足够的重视^[3]。

近年来,纳米零价铁(nanoscale zero-valent iron, nZVI)因其高比表面积、优异的吸附和反应性被广泛应用于重金属污染物的去除^[4-5]。nZVI具有Fe⁰核和Fe氧化物外壳,其中核具有还原能力,外壳充当化学吸附和静电相互作用的反应位点^[6]。还原、吸收、沉淀和矿化等机制在使用nZVI从水中去除重金属方面发挥了作用。然而,由于新合成的nZVI具有磁性和高表面能,实际反应条件下容易自发结块并被氧化,导致其快速失活。nZVI的污染物去除途径确定包括吸附、络合、（共）沉淀和表面介导的化学还原。制备nZVI需要使用硼氢化钠/钾等强还原剂,这增加了制备成本并对环境产生一定的影响^[7-8]。

总的来说,如何有效去除废水中的重金属离子已经成为一个亟须解决的重要问题。上述缺点限制了nZVI材料在环境污染物原位修复领域的广泛应用。

1   纳米零价铁的结构及其制备方式

纳米零价铁（nZVI）是最早可用来修复环境的材料之一。nZVI的晶粒尺寸在20~60 nm之间,具有零价铁的还原特性,也有氧化铁的吸附特性,是由零价铁核和氧化铁壳组成。纳米零价铁技术被广泛应用于污水处理中多种污染物的治理和修复,包括水体中难降解的有机污染物如卤代有机物、芳香族化合物、硝酸盐、磷酸盐及各种重（类）金属离子等无机污染物,nZVI可通过吸附、还原、共沉淀等作用有效分离水中Au、Pb、Ag、Cr、U、Se等贵重（类）金属资源^[4-5]。nZVI的去除机制主要涉及对金属离子(Zn²⁺,Cd²⁺)的吸附/表面络合,这些金属离子具有标准电极电势(E⁰),用于还原到非常接近或比Fe⁰(0.44 V)更低的金属状态。对于金属离子,如Hg²⁺和Cu²⁺,其E⁰比Fe⁰的E⁰高得多,相比之下,金属离子的去除主要通过表面介导的还原/沉淀实现。研究表明,nZVI在重金属废水处理及资源化方面有着巨大应用潜力^[6-9]。

1.1   纳米零价铁的结构

经过大量研究表明,纳米零价铁的结构和形貌受到其合成方法的显著影响。单个纳米零价铁颗粒的核区和壳区之间存在明显的对比差异,核壳结构和化学成分也存在显著差异。因此,零价铁纳米颗粒通常具有典型的核壳结构,可通过电子衍射提供单质铁核以及氧化铁壳的晶体结构信息^[9-10]。图1所示为LIU等^[11]在实验中不同倍数下nZVI的TEM图像,可以清楚地观察到单个颗粒的核-壳结构。

图  1  不同倍数下nZVI的TEM图像^[11]

Figure  1.  TEM images of nZVI at different multiples^[11]

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1.2   纳米零价铁的制备方式

在过去20年中,nZVI的研究取得了巨大进展,同时涌现出更加清洁、高效的制备方法。其中一些方法已被应用于中试规模和工业生产,为nZVI的更广泛应用奠定了基础。根据nZVI的形态变化,制备纳米零价铁的方法主要分为分解法和合成法^[7]。分解法通过将铁的大颗粒转化为纳米颗粒实现,而合成法则是将分子甚至更小的铁转化为纳米级颗粒。nZVI的制备机理不同,将导致其形貌各异,图2所示为片状和球状的纳米零价铁的SEM图像^[12-13]。

图  2  片状（a）^[12],球状（b）^[13] 纳米零价铁的SEM图像

Figure  2.  SEM images of flake （a）^[12] and spherality （b） ^[13] nanoscale zero-valent iron （nZVI）

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下文将着重介绍目前科学研究常用的nZVI制备方法。表1总结了通过不同方法制备的nZVI特性。除了表1中所述的方法外,还有许多其他制备nZVI方法,例如电爆炸法^[14]、等离子体还原法^[15]等。其中,通过液相还原法^[16]制备nZVI最为常见,也是应用最广泛的方法,球磨法^[13]是典型的物理方法,绿色合成法^[4]制备的nZVI具有更可靠的生态安全性、可再生材料和良好的经济性。表1总结了不同制备方法及其特点。

表  1  nZVI制备方法汇总

Table  1.  Summary of nZVI preparation methods

方法	过程	特点	参考文献
液相还原法	在Fe2+或Fe3+溶液中加入还原性强的KBH4或NaBH4溶液。反应结束后,将溶液洗涤、分离、干燥,还原为nZVI。辅助方法：超声波、微重力、微乳液、球磨等。	操作简单,条件温和,产品活性高,还原剂昂贵且有毒；氢和B（OH）3,一种危险的副产物,在制备过程中产生。	[11]
球磨法	零价铁粉在旋转机械能的作用下,被磨球反复压缩破碎,不断细化到纳米尺度,形成nZVI。	无毒,产率大,成本低,无多余副产物,但产品形态不好,容易混合杂质,能耗高。	[13]
电沉积法	采用外电流电解亚铁或三价铁盐溶液制备纳米铁颗粒。	纯度高,粒径小,但颗粒团聚倾向较高。	[15]
绿色合成法	萃取物是由溶剂和特定植物或有机物作为还原剂制备的,并与Fe2+或Fe3+溶液混合,将其还原为nZVI。	绿色环保,提取物可减少结块,不需要额外分散剂,但工艺时间长,产率低。	[3]
碳热还原法	将碳源浸渍在铁源溶液中,搅拌分散。铁源经过滤干燥后,在充满保护气体的高温环境下被碳吸热还原。辅助方法：气雾剂、超声波喷雾。	原料便宜,但生产条件恶劣,生产氢气（易燃）和一氧化碳（有毒）需要高能量,能耗高。	[17]
氢热还原法	在500 ℃左右利用氢气将铁的氧化物还原为nZVI。	副产物较少,但是生产时间长,流程危险、能耗较高。	[18]
蒸发冷凝法	用激光将铁靶加热到沸点以上,铁原子蒸发,在惰性气体环境下快速凝结形成铁纳米粉。辅助方法包括激光烧蚀、电弧和阴极溅射。	原料便宜环保,但铁金属导热性好,熔点高,使铁纳米颗粒纯度、化学活性和表面清洁度高,可制备多组分纳米颗粒,但设备昂贵。	[19]

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2   纳米零价铁的改性方法

尽管nZVI在环境修复中表现出卓越的效果,但在实际应用过程中仍存在多方面的不足。其中,由于其纳米级效应,nZVI颗粒易形成链状结构并发生团聚,导致活性位点减少。此外,nZVI在环境中的使用可能会直接或间接产生毒性影响。同时,nZVI的稳定性差且寿命短,这从经济方面限制了其应用范围。因此,对纳米零价铁进行改性以解决这些问题已成为未来研究和发展的趋势^[11-12]。

2.1   硫化改性

虽然nZVI在解决有机物、重金属污染等环境问题上表现出了优越的性能,但受限于其还原性强、表面活性高,nZVI在储存和原位修复过程中往往存在易团聚、氧化、钝化、电子选择性差等缺点^[4,10-11]。为了解决上述问题,近年来经常在nZVI表面形成硫化纳米零价铁(Sulfidated nanoscale zero-valent iron, S-nZVI)材料,并进行硫化处理^[20-22]。

与nZVI不同,S-nZVI大多是球形的,具有核-壳结构,但不太规则,由Fe⁰、非晶FeS和Fe₃O₄的非均匀混合物组成^[23]。因此,更多的电子可以用于去除目标污染物。与其他方法相比,硫化使改性研究的重点从提高nZVI的反应活性转向提高特定反应的电子选择性,从而实现目标污染物的定向降解。目前,S-nZVI在环境治理与修复中的应用已成为研究热点^[24-25]。

LIANG等^[24]通过把NaBH₄和Na₂S的混合物滴加到FeCl₃溶液中合成S-nZVI,研究了S-nZVI的微观结构,以及S-nZVI与Cd的反应机理。S-nZVI和Cd之间的主要反应机制是FeS中Fe的置换和CdS的形成。S-nZVI对Cd的去除率可达495 mg/g,显著高于其他吸附剂。总之,研究表明硫在环境中Cd的颗粒微观结构和转化中起着关键作用。图3所示为S-nZVI除镉机理的概念模型。

图  3  S-nZVI除镉机理的概念模型^[24]

Figure  3.  Conceptual model for cadmium removal mechanism by S-nZVI^[24]

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硫化不仅能改善纳米颗粒的分散性能和稳定性,而且能有效抑制nZVI的析氢过程。从而提高对目标污染物的去除活性与电子选择性。目前,S-nZVI在去除水污染物方面的应用潜力已在多项研究中得到证实,但在某些方面的研究仍存在不足,有待解决^[25]。

2.2   磷酸改性

磷酸化可以减小零价铁纳米颗粒的粒径,增加比表面积。与原nZVI相比,磷酸化纳米零价铁在3 h内将Cd²⁺去除率从15%提高到99%。纳米零价铁和磷酸化纳米零价铁对重金属Cd²⁺的去除均符合二级动力学曲线,说明化学吸附起主导作用^[26-28]。

众多文献表明,对纳米零价铁进行改性可显著改变其在水中的修复行为,进而影响废水处理的效果。洪彦峰^[26]通过观察磷酸化对零价铁纳米颗粒形貌的影响,分析样品制备的nZVI尺寸约为100 nm,形状为纳米球形成的链状结构的铁纳米线。CALDERON等^[28]将这一现象解释为零价铁纳米颗粒具有磁性强、表面积大、表面反应活性高的特点,导致零价铁颗粒相互作用聚合,呈现链状结构。与零价铁纳米颗粒相比,零价铁纳米颗粒的磷酸化可以减缓nZVI中铁核的电子释放,抑制nZVI与氢质子或溶解氧之间的副反应,从而提高nZVI对Cu²⁺的去除效率和电子选择性。从零价铁样品可以看出,磷酸化纳米零价铁主要通过还原脱除Cu²⁺,还原产物为单质铜和氧化亚铜^[27-31]。

磷酸盐与nZVI表面的氧化铁结合形成新的氧化壳层,具有更好的分散性和可控性,可以更好地与待处理的污染物接触,从而提高处理效果,其本身也更加环保和安全,对环境和人体的影响更小。硫化改性和磷酸改性都是对nZVI进行化学改性,可改变其Fe⁰核电子的分布,从而缓解铁核的电子释放,提高nZVI对重金属离子的去除效率和电子选择性。

2.3   双金属改性

双金属颗粒通过电偶效应,结合具有较高氧化还原电位的金属以加快Fe⁰的腐蚀速率,如Pd、Pt、Co、Ni、Ag、Cu。金属颗粒的引入有利于加速铁腐蚀提高制氢量,加快电子转移。然而,双金属颗粒成本高,存在二次污染,因此其应用受到限制^[30-33]。从应用的角度分析,开发价格低廉的金属颗粒并将其负载到nZVI表面形成双金属颗粒是今后的研究方向之一。表2总结了双金属改性nZVI的优缺点。

表  2  双金属颗粒改性nZVI方法

Table  2.  Modification methods of nZVI by bimetallic particles

改性方法	优点	缺点	参考文献
生物炭-双金属颗粒	分散性好,活性高,稳定性好	价格昂贵	[20]
Fe-Cu双金属纳米颗粒	活性高,产氢快	过量抑制	[29]
Fe-Pd双金属纳米颗粒	起到还原剂的作用,高效	二次污染	[30]
Fe-Ni双金属纳米颗粒	速度快,反应完全	需要其他技术	[31]
Fe-Ag双金属纳米颗粒	效率高,性能好	成本高	[33]

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KAKAVANDI等^[33]将由Fe⁰和Ag组成的双金属纳米颗粒负载在活性炭粉末上,用于制备新型吸附剂（PAC Fe⁰/Ag）。此外,基于Langmuir模型测得Cr⁶⁺的单层吸附容量为100 mg/g。结果还表明,合成的复合材料可以用作磁性吸附剂,从水溶液中去除Cr⁶⁺污染物。吸附剂(PAC Fe⁰/Ag)在去除Cr⁶⁺方面的良好性能及其从水溶液中的分离可行,它可以作为一种有效的吸附剂用于处理水和废水。

对nZVI的改性,双金属颗粒能够加速铁的腐蚀过程,提高制氢量,以及加快电子转移。然而,双金属颗粒容易导致二次污染,并且需要借助其他昂贵技术进行改性,因此对其研究仍需进一步发展。目前,研究者正致力于探索更加清洁、经济的双金属颗粒改性方法。

2.4   表面包覆

由于nZVI颗粒尺寸小,磁性强,在空气中容易被氧化腐蚀,易钝化成Fe₂O₃和Fe₃O₄,聚集成大颗粒^[34]。即使在厌氧环境中,nZVI也会被氢离子氧化生成氢离子和亚铁离子,降低了还原过程中的迁移率和反应活性。因此,可通过对表面改性,以提高其分散性和稳定性^[35]。

肖慧等^[36]制备出以传统材料：糯米粉为载体,利用液相还原法制备了包覆复合材料：糯米粉-nZVI,并用于去除溶液中以$\mathrm{U}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}^{\mathrm{2}+}$形式存在的Ｕ⁶⁺。实验考察溶液pH、糯米粉-nZVI用量、温度、反应时间及Ｕ⁶⁺初始质量浓度等因素对铀去除效果的影响。nZVI包覆糯米粉后有效抑制了nZVI团聚,有效增强了纳米铁的还原性和反应活性,使单颗粒粒径在80~100 nm之间,比表面积增大,反应位点增加,更加有利于溶液中U⁶⁺的吸附和去除,糯米粉-nZVI对Ｕ⁶⁺的吸附量为18.73 mg/g。

史慧琳^[37]以吸水凝胶（PSA）为载体,绿茶提取液为还原剂,合成了环境友好的凝胶包覆型纳米零价铁（PSA-nZVI）,并将其用于水中六价铬的去除。结果表明,绿茶提取液能够成功还原制备nZVI,且nZVI包埋在PSA内部,分散均匀,不易团聚。材料对Cr⁶⁺的去除量可达223 mg/g,Fe⁰随着Cr⁶⁺初始浓度的增加而增加。

表面包覆改性的主要目的是通过静电排斥、空间稳定和网络稳定来增强nZVI的分散,抑制nZVI的聚集,有效提高纳米铁的还原性和反应性。然而,传统的涂层方法难以在循环中保持重复性和可分离性,因此需要开发更具性能优越、生产成本、功能和环境兼容性等方面的新材料。

2.5   固体负载

负载型改性通过将nZVI分散到具有孔隙结构的支撑载体上,为nZVI提供更多的活性位点^[38]。具有吸附性能的载体材料还可以加速污染物与nZVI的反应,从而促进污染物的降解。负载材料一般包括金属氧化物材料^[5]、黏土矿物^[22]、硅酸盐材料^[39]、碳基材料^[40-41]等。

范晨等^[39]采用液相化学还原法制备纳米零价铁,并负载于膨胀珍珠岩上制备nFe@EP材料,用于去除水体中的磷酸盐。考察了溶液初始pH、温度、nFe@EP投加质量浓度和初始磷酸盐质量浓度的影响。结果表明,nFe@EP对水中磷酸盐 良好的吸附性,磷酸盐的去除率可达95.7%,吸附量达到31.9 mg/g。

谢武明等^[5]采用液相还原法将nZVI均匀负载在纳米活性氧化铝(γ-Al₂O₃)表面和孔道内壁上,制备出磁性纳米零价铁/活性氧化铝复合材料(nZVI/γ-Al₂O₃)并对其进行表征,模拟了5种典型重金属离子Zn²⁺、Cu²⁺、Cd²⁺、Cr³⁺、Mn²⁺在nZVI/γ-Al₂O₃上的吸附等温线和动力学,并研究多元重金属离子体系中竞争吸附和协同吸附行为。结果表明,磁性纳米零价铁负载在纳米活性氧化铝上,不仅克服了因体积效应和表面界面效应所导致的nZVI颗粒团聚,而且使nZVI仍处于稳定的高表面能状态。

双金属改性、表面包覆和固体负载等方法,均利用其他化学物质对nZVI粒子的表面或整体结构进行物理性质上的修饰。同时,拥有吸附能力的载体材料也能加速污染物与nZVI的反应,但此类方法的技术含量较高,应用成本也较高,因此仍是当前研究的主要改进方向。

3   纳米零价铁去除重金属Pb、Cr、Zn、Cd机理研究

污水中的重金属对水体造成的污染已严重威胁到人体和生态健康。nZVI因为其特性适用于水体中重金属的处理与恢复^[42-43]。科学家以聚合树脂和硅胶为载体制备了粒径为10~30 nm的负载铁纳米材料,并将其应用于水溶液中的重金属颗粒固定修复,证明其具有良好的修复效果^[44]。此后,曾峤婧等^[45]报道了白腐菌和nZVI联合体系强化去除水中Cd污染,结果表明nZVI对水体中Cd²⁺的去除率可达到99.5%以上。大量科学家已经发表了关于使用纳米零价铁（nZVI）去除重金属的研究。目前,已有多篇文献报道了在地下水中及现场修复中使用nZVI去除重金属离子和卤代有机污染物的研究成果^[32-45]。探究纳米零价铁对于重金属污染水体的实际场地修复具有重大意义。nZVI去除重金属反应机理如图4所示。

图  4  nZVI去除重金属反应机理

Figure  4.  Reaction mechanism diagram of heavy metals removal by nZVI

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3.1   nZVI除Pb机理

铅是一种常见的土壤污染物,其主要来源于人类活动,包括工业和制造过程,以及废物处理等。被污染的土壤、家庭灰尘、油漆碎片、矿山废物和工业废物等都是人类接触铅的典型来源。铅在土壤环境中经过成土作用进入土壤中,对人类健康和环境具有广泛的危害^[24,44,46]。

张守秋等^[4]利用nZVI稳定性和分散性的新型绿色合成技术和nZVI的改性方法,叙述了nZVI去除重金属铅离子的反应机理。得出Pb²⁺标准氧化还原电位略高于Fe²⁺/Fe⁰标准氧化还原电位,所以金属铁/氧化铁导带中的电子能量比Pb²⁺/Pb⁰的标准电位更低,从而为电子由Fe⁰到被固定的Pb²⁺转移提供了有效驱动力^[25]。在弱酸性pH范围内,随着pH值的增加,nZVI粒子表面官能团的脱质子作用越来越强,导致nZVI表面负电荷的增加,即在酸性介质中,nZVI与Pb²⁺之间的静电引力随着pH值的增加而增加。因此,Pb²⁺的去除率在弱酸性条件下达到最大值,且几乎保持不变。故而,使用nZVI去除Pb²⁺的机理主要是吸附和还原^[44-48]。

综上所述,在重金属Pb²⁺去除过程中,增加nZVI投加量可显著提高Pb²⁺的去除效率。由于H⁺和Pb²⁺竞争表面活性位点,因此在弱酸性条件下,Pb²⁺的去除更为有效。使用nZVI去除Pb²⁺的机理主要涉及吸附和还原过程。

3.2   nZVI除Cr机理

铬是一种广为人知的剧毒金属,被认为是首要的污染源。其工业来源主要包括皮革鞣制、冷却塔废水、电镀和冲洗水等^[17,35]。SHI等^[22]利用膨润土负载nZVI去除水溶液中Cr⁶⁺。膨润土减少了纳米Fe⁰的聚集,可以稳定和分散nZVI,并防止nZVI聚集,从而提高nZVI反应性和Cr⁶⁺的去除效率。在35 ℃和250 r/min的条件下,膨润土-nZVI从含有50 mg/L^{Cr6+的水溶液中去除了99% Cr6+。研究发现纳米颗粒在用于去除Cr6+后显著增加。这证实了共沉淀参与了Cr6+的去除,主要是Cr3+和Fe3+的氧化物和氢氧化物沉淀,其覆盖了纳米颗粒的表面[23,37]。}

HUANG等^[23]利用nZVI颗粒快速磁性去除溶液中Cr⁶⁺,实验中利用电喷雾nZVI (E-nZVI)和非电喷雾nZVI (NE-nZVI)的不同nZVI颗粒用于处理浓度水平为100 mg/mL Cr⁶⁺溶液。当nZVI浓度达到0.93 mg/mL时,去除率接近100%。基于XPS结果,在颗粒表面没有检测到Cr⁶⁺,可以得出结论,Cr⁶⁺的去除主要是通过沉淀和还原进行的。

综上所述,nZVI对水溶液中重金属铬的高效去除主要是由其还原性质与铬离子的还原和共沉淀作用相辅相成。在溶液中,nZVI通过吸附、还原和共沉淀等多种作用机制,参与了铬离子的去除过程^[22,35,37]。

3.3   nZVI除Zn机理

锌是一种广泛应用于工业生产中的元素,在水生环境中也普遍存在。此外,锌也是人体健康所必需的微量元素之一,对于生物体来说具有重要作用^[49]。

PULLIN等^[50]讨论了零价铁纳米颗粒在去除Zn²⁺中的应用及其机理。表明nZVI对Zn²⁺的去除具有明显的效果。当nZVI固体浓度为1 g/L时,2 h可去除85%以上的Zn²⁺。pH和溶解氧(DO)是nZVI去除Zn²⁺的重要因素。DO提高了Zn²⁺的去除效率,在含氧条件下,它可以显示出突出的吸附亲和力,FeOOH壳层可以提高nZVI的吸附效率。Zn²⁺的去除效率随着pH增加而增加。酸性条件降低了nZVI对Zn²⁺的脱除效率,因为溶液中存在的H⁺抑制了氢氧化铁（氧）的形成。

WANG等^[51]将nZVI与Ca(OH)₂进行了比较,用于去除废水中的Zn²⁺。对Zn²⁺的水化学、处理效率和反应产物进行了比较,研究表明,nZVI的中等溶液pH值及其种子效应在产生高质量废水中起着至关重要的作用。相比之下,由于nZVI的多功能特性以及其固有的pH稳定特性对进水波动的良好耐受性,使nZVI很容易获得稳定和较低水平的Zn²⁺。

nZVI对Zn²⁺的吸附作用：nZVI的表面由一层FeOOH组成,该层对金属阳离子具有突出的亲和力。水对Fe⁰的逐渐腐蚀导致氧化铁以离散颗粒或沉积物的形式在nZVI表面形成,导致表面积显著增加^[26,45-46]。

nZVI与Zn²⁺的共沉淀：nZVI系统中的共沉淀效应也有助于去除Zn²⁺。Fe²⁺-石灰/NaOH的共沉淀可以实现较低的金属浓度,其pH范围更宽,对应于共沉淀的最低金属浓度。在nZVI的情况下,水性腐蚀持续释放Fe²⁺和OH^-,反应机理如式(1)。

创造有利于Zn²⁺掺入铁腐蚀产物的条件。这一过程已被证明对于去除Zn²⁺起着主要作用^[17,33]。吸附和共沉淀是nZVI去除Zn²⁺的主要机制。

3.4   nZVI除Cd机理

镉是一种有毒重金属,具有高毒性、难降解、易残留等特点,是电池、颜料、涂料和电镀生产中的关键成分^[47-48]。曾峤婧等^[45]采用白腐菌和nZVI联合体系强化去除水中Cd²⁺,分析nZVI对白腐菌胞内外富集镉的影响特性,主要去除机制为白腐菌对Cd²⁺的胞外络合吸附,白腐菌和nZVI联合体能促进白腐菌对Cd²⁺的胞外吸附,同时羟基、羧基和氨基参与了Cd²⁺的吸附,白腐菌胞外聚合物(EPS)能与铁发生内配位形成P-O-Fe键,加速富羟基官能团的形成,促进含氧铁矿物的形成以及Cd²⁺与沉淀铁矿物的表面络合,从而促进溶液中Cd²⁺的吸附和去除。

刘柳等^[52]根据研究发现与其他种类的吸附剂相比,nZVI具有更高的吸附能力,是从水溶液中去除镉的最有效吸附剂。实验结果表明,极小的粒径、大的表面积和高密度的反应和吸附位点使nZVI成为环境应用的潜在候选物,尤其是Cd²⁺去除。与新生产的生物炭-nZVI复合吸附剂相比,通过吸附和络合过程在生物炭上形成的nZVI^[53-56]。

综上所述,nZVI具有粒径小、表面积大和反应位点密度高等特点,因此对从水溶液中去除镉离子具有出色的吸附能力。nZVI主要通过络合吸附和沉淀形成铁矿物的方式,有效地促进了溶液中Cd²⁺的吸附和去除^[57-60]。

4   结 论

1) 在当前阶段,废水处理成为迫切需要解决的环境问题。随着经济高效和生态友好技术的不断发展,废水处理系统正在经历巨大的发展。各种材料和废水处理系统都处于快速发展的重要阶段。

2) 在污染水处理领域,越来越多的理论和经验证据表明,nZVI是一种有效且广泛适用的纳米材料。nZVI可用于去除重金属,其去除机理主要包括吸附、络合、还原及共沉淀作用。因此,nZVI为解决其他污染物中的重金属污染治理提供了新思路。

3) 在水净化和环境修复方面,nZVI的应用具有其自身的优点和缺点。一方面,nZVI具有很高的反应活性和选择性,可以有效地去除污染物。另一方面,nZVI受其本身的性质影响,易形成链状结构并出现颗粒团聚现象。当nZVI应用于环境修复时,可能会直接或间接对环境产生一定的毒性影响。此外,nZVI的稳定性较差,寿命短且制备方式较为复杂,这在经济适用性方面限制了其广泛应用。

4) nZVI的清洁制备方法以及新型改性技术是当前研究的热点。主要的改性方法包括硫化改性、磷酸改性、表面包覆、固体负载和双金属改性等。这些方法旨在改善nZVI易自发团聚而导致性能降低的问题。采用生物和微生物提取还原剂的绿色制备方式可以减少nZVI去除水体重金属时的残留毒性,并减少二次污染。当然,解决新型制备和改性方法的高成本问题是工业化应用的主要挑战之一,必须加以解决才能更好地推广和应用这一技术。