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纳米零价铁改性策略及其在水体环境修复中的效能与前景探究

一、引言

1.1研究背景与意义

水是生命之源，然而，随着全球工业化、城市化进程的加速，水体污染问题日益严峻，已成为威胁人类生存与可持续发展的重大挑战。据统计，全世界每年约有4200多亿立方米的污水排入江河湖海，污染了5.5万亿立方米的淡水，这相当于全球径流总量的14%以上。第四届世界水论坛提供的联合国水资源世界评估报告显示，所有流经亚洲城市的河流均被污染；美国40%的水资源流域被加工食品废料、金属、肥料和杀虫剂污染；欧洲55条河流中仅有5条水质勉强能用。

水体污染不仅对生态环境造成了严重破坏，导致水生生物多样性锐减、水生态系统失衡，还直接威胁到人类的健康。发展中国家约有10亿人喝不清洁水，每年约有2500多万人死于饮用不洁水，全世界平均每天5000名儿童死于饮用不洁水，约1.7亿人饮用被有机物污染的水，3亿城市居民面临水污染。在肝癌高发区流行病的调查表明，饮用藻茵类毒素污染的水是肝癌的主要原因。

面对如此严峻的水体污染形势，开发高效、绿色、可持续的水体修复技术迫在眉睫。纳米零价铁（nZVI）作为一种新型的环境功能材料，因其独特的物理化学性质，如高比表面积、高反应活性、强还原性等，在水体环境修复领域展现出巨大的应用潜力，受到了广泛的关注和研究。

纳米零价铁能够通过还原、吸附、共沉淀等多种作用机制，有效去除水体中的重金属离子（如Cr(VI)、Pb(II)、Cd(II)等）、有机污染物（如多环芳烃、农药、卤代烃等）以及无机阴离子（如硝酸盐、亚硝酸盐等）。例如，纳米零价铁可以将毒性较高的Cr(VI)还原为毒性较低的Cr(III)，从而降低其对环境和生物的危害；对于有机污染物，纳米零价铁能够通过表面吸附和化学反应，将其降解为无害的小分子物质。

然而，纳米零价铁在实际应用中也面临着一些问题和挑战，如易团聚、易氧化、稳定性差等。这些问题导致纳米零价铁的有效活性位点减少，反应活性降低，从而限制了其在水体修复中的应用效果和推广。为了克服这些问题，提高纳米零价铁的性能，对其进行改性研究成为当前的研究热点。

通过改性，可以改善纳米零价铁的分散性、稳定性和反应活性，增强其对污染物的去除能力，拓宽其应用范围。例如，采用表面改性技术，在纳米零价铁表面引入功能性基团或包覆一层保护膜，可以有效防止其团聚和氧化；通过金属改性，将其他金属元素掺杂到纳米零价铁中，可以提高其催化活性和选择性；利用载体负载技术，将纳米零价铁负载在具有高比表面积和良好吸附性能的载体上，可以增加其稳定性和分散性，提高其与污染物的接触几率。

因此，开展纳米零价铁改性及其在水体环境修复中的应用研究，具有重要的理论意义和实际应用价值。从理论层面来看，深入研究纳米零价铁的改性机制和作用原理，有助于丰富和完善环境材料科学的理论体系，为开发新型高效的水体修复材料提供理论指导。从实际应用角度而言，开发出性能优良的改性纳米零价铁材料，能够为解决水体污染问题提供更加有效的技术手段，对于保护水资源、改善水环境质量、保障人类健康和促进社会经济的可持续发展具有重要的现实意义。

1.2国内外研究现状

纳米零价铁在水体环境修复中的应用研究始于20世纪90年代，经过多年的发展，国内外学者在纳米零价铁的制备、改性及其在水体修复中的应用等方面取得了丰硕的成果。

在纳米零价铁的制备方法上，主要包括物理法和化学法。物理法如机械球磨法、气体冷凝法等，虽然能够制备出高纯度的纳米零价铁，但存在设备昂贵、能耗高、产量低等缺点，限制了其大规模应用。化学法是目前常用的制备方法，其中液相还原法最为普遍，该方法以硼氢化钠等为还原剂，在液相中还原铁盐制备纳米零价铁，具有操作简单、反应速度快、粒径可控等优点，但制备过程中需要使用保护气体，且纳米零价铁易团聚和氧化。此外，还有碳热还原法、电化学还原法、绿色还原法等，这些方法各有优缺点，研究人员不断探索优化制备条件，以提高纳米零价铁的性能。

在纳米零价铁的改性研究方面，国内外学者开展了大量的工作。表面改性是常用的改性方法之一，通过使用表面活性剂、聚合物、生物大分子等对纳米零价铁进行表面修饰，改变其表面电荷和性质，提高其分散性和稳定性。例如，有研究利用羧甲基纤维素对纳米零价铁进行表面改性，显著提高了其在水中的分散性和对重金属离子的去除能力。金属改性也是研究的热点，通过掺杂其他金属元素（如Pd、Cu、Ni等），可以提高纳米零价铁的催化活性和选择性。如Pd掺杂的纳米零价铁对卤代有机物的还原脱卤效率明显提高。载体负载改性通过将纳米零价铁负载在活性炭、石墨烯、分子筛等载体上，增加其稳定性和分散性，同时利用载体的吸附性能，提高对污染物的去除效果。有研究将纳米零价铁负载在石墨