纳米铁材料在地下水中的迁移等等

零价铁微粒修复地下水近几年，零价铁作为一种修复受污染含水层有前景的技术进行了研究。具体的被肯定的特点是对广范围的污染物处理的高效性，和注入水泥浆整治污染区为目标的可能性。然而，关键点在于该材料在流动的地下水环境中的稳定性和长久性替代聚集问题。就目前的特性本文综述了零价铁在多孔介质中的反应和流动性以及他们在地下水修复的应用。一个明确的关注点是致力于零价铁泥浆的胶体稳定性理论和实验室数值模拟的可能性以及当零价铁泥浆注入到多孔介质微小颗粒在区域规模的流动性。1.零价铁的地下水修复：从可渗透反应格栅到纳米颗粒可渗透反应格栅（PRB）是一种被动的原位修复有机和无机污染地下水的污染物。PRB是开挖地基沟槽拦截污染羽，沟槽充满了一种颗粒状活性材料，如零价铁（(GillhamandO’Hannesin,1994）、活性炭、沸石、堆肥（BoniandSbaffoni,2009），等，或结合零价铁与另一种材料，如浮石（moraciandcalabrò，2010）或棉（Roccaetal.,2007）来处理污染的地下水，通过在自然梯度下通过填充材料。粒状零价铁（ZVI）是最常用的充填材料，由于其广泛的有机污染物降解能力，减少和固定有害金属离子（OrthandGillham,1995）。到目前为止，ZVI已被应用在全球数百个PRB工程中，特别是降解氯化溶剂。使用PRB主要优点包括的几乎是即时的可达性和站点安装后可利用性，不需要外部能量输入，就监测和维护而言有限制的要求（Zolla等，2007）。尽管（相对）高安装成本，但如果相比更为传统的方法，如泵和治疗系统（DiMolfettaandSethi，2005年），这些优点方面的贡献使PRBS一个成本有效的补救技术。在过去的十年中，PRB使用已经成为一个公认的标准实践处理多种地下水污染物（(DiMolfettaandSethi,2012）。然而，进驻施工限制约束，在某些情况下，这项技术的适用性。技术上的困难和高成本的开挖深度的屏障的限制来30到40M，阻碍了更深的污染物的处理。此外，PRBS地址行动污染羽流，而污染源是无法直接处理。此外，PRB的长期性能的一个关键点仍在争论：复杂的生物地球化学过程发生在PRBS可以导致矿物沉淀、气体的积累和生物量的增长，安装后逐步降低反应性和渗透性（萍etal.，2009）。因此，在某些情况下，一个再生的障碍可能是必需的，和一些技术方法已经在这个意义上提出的，包括铁复兴如超声系统（Son和Vogan，2004）或作为一种预处理（geigeretal.，2002），采用高压水射流机械清洗（Gallo等人，2004），和还原Fe（III）Fe（II）的铁还原菌介导的（Shin等，2007）。为了克服其中的这些限制，王和张（Zhang等，1998）提出了使用纳米零价铁（NZVI）作为一种毫米大小的颗粒替代NZVI颗粒，由于其降低的大小，远小于孔隙含水层，可以被分散在水泥浆，直接注入底土（varadhi等，2005），从而允许目标直接接近污染（tiraferri等，2008）（图1）。此外，NZVI结果在一个非常高的表面体积比NZVI颗粒（10-50平方米/g）（Sun，2006）高于粒状铁（0.1-0.5平方米/克）三个数量级，与积极的影响降解动力学（Zhang，2003年）的比例尺寸减小。最近，使用较大的颗粒，微米大小（微尺度的铁颗粒，mzvi）也被提出和研究（(DallaVecchia等，2009b）。mzviNZVI发现有效降解大部分有机污染物发现在含水层系统，和特别是氯化脂肪烃（Velimirovic等，2012）。NZVI展品，作为一般规则，更快的降解动力学（AlmeelbiandBezbaruah，2012），但更短的寿命比mzvi，由于高消费通过意外反应。图一许多研究报道NZVI能够降解广泛的污染物比粒状铁更得益于极高的比表面积，使反应速率更高的数量级比毫米波铁（留置和Zhang，2001）。但是，增强的降解率比粒状铁铁（和，在较短的范围内，对mzvi）不能归因于“纳米效应”。相反，随比表面积的规模进行降解动力学（O'Carrolletal.，2013），是由杂质和其他金属的存在也影响（燕etal.，2013）。反应活性高不足以确保一个有效的修复，以及一些重要的问题需要解决，对于成功的全面应用。关键是对聚集在地下环境中的稳定性，流动性，和地下条件长寿（托斯科etal.，2012B）。要有效地进行原位含水层修复，铁颗粒应保持在悬浮液中的时间足以使浆料的制备，处理和注入在地下。同时，他们应该有足够的流动性，在地下被运送到注射点周围一定程度上（卡尼奥etal.，2007）。然而，一些研究表明，纳米铁在实验室研究难以移动和稳定（刘等人，2005）和现场试验（奎因etal.，2005）。在纳米铁颗粒聚集在水中分散的强烈倾向是主要原因，由于强磁引力粒子之间的发展，从而形成大的絮体和随后树状网络结构，可以广泛超过微米。这样的聚集体，也可以显着限制运输堵塞毛孔的含水层，并表现出减少的特定的表面积，因此反应性（他和赵，2005）。进一步限制在地下铁的流动性也因铁颗粒和土粒矿物之间的最终的亲和力，从而造成铁沉积到多孔基体。颗粒表面与流体粘度改性分散剂在提高胶体的稳定性和流动性的作用的有效途径。在这项工作中的作用性质的一个检讨现有的知识，提供在多孔介质的反应性和流动性。特别注意的是专门的方法来改善和多孔介质中NZVI流动的胶体稳定性。特定的主题没有讨论到伟大的细节在这里，有近三的评论对使用NZVI已经提到，即O'Carroll等人的作品。（2013）；闫等。（2013）；起重机和史葛（2012）。2.纳米铁颗粒的合成与表征对纳米铁颗粒的生产技术已被成功应用在最近几年。可分为自底向上的方法（铁颗粒的离子或小颗粒通过成核、沉积、沉淀、结块等代）和顶底的方法（减小尺寸较大的颗粒，如通过铣、烧蚀等）（鹤和史葛，2012）。文献报道的合成方法通常按照第一种方法，包括铁pentacarbonile[Fe（CO）5]通过分解有机溶剂标准化学气相冷凝过程（卡尔森等，2005），氩气（Choietal.，2001）或氨（基姆etal.，2003），经硼氢化钠还原Fe3+的存在þ离子液体沉淀（NaBH4）（王、张，1997），和针铁矿（FeOOH）和氢还原赤铁矿（氧化铁）（Nurmietal.，2005）。后一种方法应用于户田工业公司超声作用综合商用nzviproduced在硼氢化钠存在的合成过程中被认为有降低的纳米铁颗粒的大小或形状的阳性结果（佳美etal.，2014）。在某些情况下，在合成过程中的另一个步骤包括一层薄薄的另一种金属的沉积，这可能是连续的或不连续的，旨在改善铁反应催化剂（Chunetal.，2010），以及修改为粒子的表面性能对提高胶体的稳定性（侯赛尼etal，2011）。第二金属可以添加第二步通过沉淀的铁粒子的合成后，或通过在第二金属溶液的铁矿或铁氧化物氢还原共沉淀（Chunetal.，2010）。使用钯，镍和铜作为二次金属的文献报道（闫等，2013）。NZVI初级粒子通过不同方法获得的尺寸分布通常在10e100nm范围内，与相应的比表面积在10e50平方米/g（孙，2006）。然而，树枝状集合体，几十或几百倍的初级粒子，通常是在NZVI水分散体的观察（tiraferrietal.，2008），由于强烈的particleeparticle相互吸引作用，为下文的进一步论述（图2）。X射线衍射（XRD）在一组铁的样品进行分析，合成在实验室和工业规模（刘等人，2005），表明颗粒是由一个核心的零价铁和铁的氧化物和氢氧化物的外壳，包括磁铁矿Fe（II）Fe（III）2O4，针铁矿a-feo和方铁矿FeO（OH）。氧化层的存在并不完全妨碍铁的反应性，使电子从Fe0的核心转移到颗粒表面，在那里与吸附在氧化壳或在粒子附近发生的污染物反应（O'Carrolletal.，2013）。大小、形状和外壳组成的显着影响的硼氢化钠的合成减少了process.nzvi较小（几十纳米），更加稳定和平滑的形状，并在核心体系结构为非晶态（Liu和洛瑞，2006），而针铁矿和赤铁矿的还原得到的颗粒（如公路系统升级项目从户田工业公司），作为一般规则，更大的（100nm），形状不规则，与核心具有晶体结构（Yanetal.，2013）。较大的颗粒（50毫米大约是NME1）等发现的商业产品（如nanofer25和nanofer25s，铁，CZ），标称的比表面20e25平方米/克（Laumannetal.，2013）。在大小和形状上的差异也会影响铁的反应和老化（基督教etal.，2008）。纳米铁颗粒主要由新鲜Fe0，薄薄的一层氧化物的时间增加。对商业产生粒子的户田工业公司和储存几个星期主要由磁铁矿的外壳，而Fe3þ和硼氢化钠合成的颗粒主要是由针铁矿和铁矿（Nurmietal.，2005）。老化过程是在一个宽的观察期，从几天到几年（freyriaetal.，2011）。氧化是非常快的，在前几天合成。的氧化物壳形成后，Fe0的核心部分免受意外反应，腐蚀速度较慢（燕etal.，2013）。作为一般规则，铁含量变化范围从硼氢化钠为基础的过程新鲜颗粒98%约40%老年人通过基于氢还原得到的颗粒。零价铁的百分比是由粒径影响显著，由于氧化层的厚度大约是不变的粒度（鹤和史葛，2012）：非常小的颗粒可能会导致更高的降解率对污染物，由于比表面积增大，而且更明显的不良反应，和因此，更快的腐蚀和材料的浪费。对铁的腐蚀和老化反应的影响在几个作品的修订（燕etal.，2013）。对于现场应用，在每个特定的情况下，在每个特定的情况下，一个妥协的小尺寸和寿命。很小，高活性粒子在高浓度应在污染物浓度高的在场和/或特别顽固的化合物优先，一个快速的、积极的治疗。在这种情况下，双金属颗粒可以是一个选项，因为它们通常表现出增强的反应，即使他们的成本在大多数情况下比单金属铁高。相反，对于低浓度易降解的化合物，lessreactive颗粒较大，可适当多，从而降低铁耗由于副反应和延长寿命。磁性纳米铁颗粒在商业观察外壳，以及Fe0的核心，独特的磁特性的结果，产生的颗粒在水中的分散性显著的聚集（达拉韦基亚等人，2009）。因为它们的大小，纳米铁颗粒有望表现为单域，并表明在室温下的超顺磁性纳米铁粒子，类似于磁流体（gazeauetal.，1999）和药（DüRRetal.，2012），以及其他基于磁铁矿纳米复合材料（菲利普斯等铝，1994）。然而，磁特性的研究显示，大团聚体的存在，分散在液体介质中使他们的相对运动，负责更复杂的磁化过程（coissonetal.，2009）。一种氢气聚集多领域的性质证明。该团有一个集体的磁行为，而不是一种行为，从一个人的磁性纳米粒子的简单叠加。3.反应性铁是在水介质中的腐蚀非常敏感，被氧化为Fe2þ（快速法）和Fe3þ（慢）。在自然水域的首选氧化剂是溶解氧，其存在的结果在快速腐蚀根据方程（1）。Fe2þ可以进一步氧化成Fe3þ溶解氧（方程（2））与不溶的氢氧化铁沉淀（锈）。此外，腐蚀可以发生在厌氧条件下以水作为氧化剂（方程（3））和产氢分子：上世纪90年代以来，铁的腐蚀化学已在危险和有毒化合物的污染水体的处理利用（主要是氯代烃），感谢吉勒姆和同事发现（o'hannesin和Gillham，1998）。金属铁还原溶解水亚铁Fe2+的氧化反应þ标准还原电位为0.440V（ratnyek，1994），这表明铁是一种强还原剂，能够减少多种污染物。数和全规模应用实验研究主要表现在地下水修复铁腐蚀的适用性，主要是由微米级的铁渗透反应障碍的使用（萨内蒂和菲奥里，2005）。纳米铁已确认在减少卤代有机化合物也有效，如氯乙烯（刘等人，2005）、氯乙烷（洋行和tratnyek，1994）和多氯联苯（洛瑞和约翰逊，2004），以及与其他多种污染物反应，即农药（埃利奥特etal.，2003），除草剂（Jooetal.，2004），多环芳烃（PAHs）（