一種核殼結(jié)構(gòu)銀包鐵納米粉體材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于雙金屬納米核殼結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域，具體涉及一種核殼結(jié)構(gòu)銀包鐵納米的制備方法，特別涉及一種地下水原位修復(fù)領(lǐng)域用核殼結(jié)構(gòu)銀包鐵納米粉的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]零價(jià)鐵具有化學(xué)性質(zhì)活潑、電負(fù)性大(標(biāo)準(zhǔn)電極電位為E°(Fe2+/Fe) = -0.440V)，還原能力強(qiáng)、反應(yīng)速度快等特點(diǎn)，同時(shí)金屬鐵來(lái)源豐富、價(jià)格便宜，不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生二次污染。因此，自上世紀(jì)八十年代以來(lái)，零價(jià)鐵被廣泛應(yīng)用于地下水的原位修復(fù)，如快速還原水中的有機(jī)鹵代烴、硝基芳香烴、農(nóng)藥、硝酸鹽以及重金屬污染等。與普通鐵粉相比，納米鐵粉比表面積大、表面能高、反應(yīng)活性強(qiáng)、降解污染物速度快，尤其是在污染物濃度較低時(shí)，其去除污染物的能力大大強(qiáng)于普通鐵粉；另一方面由于納米鐵粒徑小，易于在地下水中流動(dòng)迀移，且其呈懸浮狀態(tài)存在于水溶液中，長(zhǎng)時(shí)間與污染物接觸反應(yīng)，故將納米鐵泥漿直接注入地下含水層中，有望為地下水的原位修復(fù)提供一條新的途徑。但是在實(shí)際應(yīng)用中納米鐵顆粒存在制備成本高、活性高、極易團(tuán)聚、在空氣中容易氧化甚至自燃等缺點(diǎn)，這些都使得其處理污染物的操作條件苛刻，且在對(duì)地下水原位修復(fù)時(shí)易受到土壤截留、吸附以及沉積作用，不易到達(dá)污染區(qū)。這些都限制了零價(jià)納米鐵技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。
[0003]針對(duì)上述問(wèn)題，許多研究者嘗試開(kāi)發(fā)功能化核殼結(jié)構(gòu)的納米鐵材料，如在納米鐵表面包覆一層不活潑的金屬銅、鎳、銀等，形成Cu/Fe、Ni/Fe、Ag/Fe等核殼型納米鐵材料(羅斯，楊紹貴，孫成.直接置換法制備核殼型納米鐵-銀雙金屬粉末[C].第五屆全國(guó)環(huán)境化學(xué)大會(huì)會(huì)議.2008 ;Cwiertny D M, Bransfield S J, Roberts A L.1nfluence of theOxidizing Species on the Reactivity of Iron-Based Bimetallic Reductants[J].Environmental Science Technology, 2007, 41 (10): 3734-3740.)。它們不僅保留了核層納米鐵金屬的物理化學(xué)性能，同時(shí)還具有殼層金屬的特性，既防止了納米鐵的團(tuán)聚、增強(qiáng)了抗氧化性，又能保持其活性，提高其在地下含水層的迀移、過(guò)濾能力。
[0004]核殼結(jié)構(gòu)納米鐵材料的制備方法很多，有氣相法、液相法、固相法和交叉的綜合方法。其中，固相法雖然工藝簡(jiǎn)單、可操作性強(qiáng)，但是顆粒的大小不好控制，容易發(fā)生團(tuán)聚，且易氧化和引入雜質(zhì)；液相法主要有還原化學(xué)鍍法、多元醇還原法和置換法等，但是不管哪種液相法都存在工藝流程多，需要多次洗滌、過(guò)濾，所制顆粒容易團(tuán)聚、不利于產(chǎn)品性能的穩(wěn)定等缺點(diǎn)；綜合法大多存在工藝復(fù)雜、不易控制等缺點(diǎn)。氣相法雖然對(duì)設(shè)備的要求高，但易制備出粒度分布均勻、性能穩(wěn)定的產(chǎn)品，適合工業(yè)化批量生產(chǎn)。
[0005]中國(guó)專(zhuān)利CN1974841公開(kāi)了一種化學(xué)還原法制備核殼結(jié)構(gòu)Fe-Ag復(fù)合導(dǎo)電填料的制備方法:首先將羰基鐵粉加入到銀氨溶液中，加入乙醇后加熱并進(jìn)行超聲分散；然后加入還原劑進(jìn)行化學(xué)鍍；最后將制得的粉體過(guò)濾、洗滌、烘干或自然干燥即可。該方法制備的是微米級(jí)粉體，一方面在水中或空氣中羰基鐵粉容易氧化，另一方面反應(yīng)過(guò)程需要加熱，且工藝繁瑣，粉體需要多次洗滌、過(guò)濾，在此過(guò)程中容易引起顆粒團(tuán)聚、不利于產(chǎn)品性能的穩(wěn)定等。
[0006]中國(guó)專(zhuān)利CN 101121202A公開(kāi)了一種液相置換法制備核殼型納米鐵-銀雙金屬顆粒的制備方法:該法首先將納米鐵粉用稀鹽酸清洗，除去表面的氧化層，再用去離子水洗至中性；然后將含有聚乙烯吡咯烷酮的硝酸銀溶液加入到鐵粉中(比例為:25?50mL/lg)，滴加完畢移至水浴振蕩器上反應(yīng)；最后用磁選法選出核殼型納米鐵-銀雙金屬顆粒。該法利用磁選法雖然避免了后續(xù)的洗滌、干燥等工序，但是需要對(duì)納米鐵粉進(jìn)行酸洗等預(yù)處理，另外整個(gè)反應(yīng)是在水溶液中進(jìn)行的，在包銀過(guò)程中容易引起納米鐵粉的二次氧化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明克服先有技術(shù)的不足，提供一種重復(fù)性好、產(chǎn)品性能穩(wěn)定、工藝簡(jiǎn)單且環(huán)境友好的適用于地下水原位修復(fù)領(lǐng)域的核殼結(jié)構(gòu)銀包鐵納米粉的方法。
[0008]本發(fā)明的基本原理是:采用電弧放電產(chǎn)生等離子體的制備技術(shù)，等離子體主要是電離了氬氣的氣體，其由電子、離子和中性粒子組成。其中電子和離子的總數(shù)相等，因而作為整體是電中性的。當(dāng)?shù)入x子體一旦出現(xiàn)電荷分離，立刻會(huì)產(chǎn)生巨大的電場(chǎng)。電子能量很大、溫度很高，能夠?qū)⒔^大多數(shù)材料在瞬間變成氣態(tài)物質(zhì)；當(dāng)?shù)入x子體變成常態(tài)時(shí)，溫度驟降，這為二元核殼型粉體的成核提供了條件。鐵的熔點(diǎn)為1535°C、銀的熔點(diǎn)為960.7°C，在降溫過(guò)程中，熔點(diǎn)較高的鐵蒸氣先冷凝為固態(tài)，由于納米粒子的粒徑小、比表面積大、表面能高，極易吸附氣態(tài)的銀來(lái)降低表面能。當(dāng)溫度降至銀的熔點(diǎn)以下時(shí)，就形成了核殼結(jié)構(gòu)的銀包鐵納米粉體。
[0009]根據(jù)上述原理，本發(fā)明是通過(guò)陽(yáng)極弧放電等離子體方法，通過(guò)以下的技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的，具體步驟如下:
[0010](I)稱(chēng)取純度均為99.9% (質(zhì)量百分比)的鐵粉和銀粉，混合均勻后，壓制成塊體作為等離子電弧爐的陽(yáng)極材料。所述陽(yáng)極材料中銀所占的質(zhì)量百分比為5?12%。
[0011 ] (2)采用鎢金屬或石墨作為陰極材料，采用氬氣和氫氣作為工作氣體，氬氣所占體積比例為50%?100%。實(shí)驗(yàn)時(shí)，先通冷卻水，并將工作室抽真空，多次采用高純氬氣凈化沖洗；接著再充入工作氣體氬氣和氫氣，并接通直流電源，工作電流為60?100A，陽(yáng)極與陰極之間起電弧，弧光放電過(guò)程中調(diào)節(jié)工作電流與電壓保持相對(duì)穩(wěn)定，工作時(shí)間為I?4h ;完成所需弧光放電過(guò)程后關(guān)閉電源；最后抽出工作室氣體，注入氬氣鈍化處理，鈍化時(shí)間至少lh，結(jié)束后，打開(kāi)上蓋收集等離子電弧爐側(cè)壁