铁是最丰富的过渡金属和地壳中第四丰富的元素。因此,不同的含铁材料在不同的自然和工程环境过程中得到了深入的研究。零价铁因其较强的还原能力（E₀=0.44 V）和吸附重金属等多种污染物的能力,在环境修复中得到了广泛的研究。与零价铁相比,纳米零价铁材料具有更大的表面积、更大的反应位点密度以及更多的活性位点。纳米零价铁是直径为1~100 nm的纳米级零价铁,是一种反应活性高、处理效率高、粒径可控、活性位点丰富的环保材料。如图1所示,纳米零价铁材料具有典型的核壳结构,Fe⁰处于材料的中心,表面覆盖FeO、Fe₂O₃、Fe₃O₄等铁氧化物及其氢氧化物（FeOOH）。由于纳米零价铁具有上述优势,故纳米零价铁在去除水体重金属污染物领域具有巨大应用潜力。

虽然纳米零价铁被广泛用于重金属污染物的去除,但是由于范德华力、较高的表面能和内在的磁性作用,纳米零价铁容易团聚,进而限制了其在水溶液中的分散性。此外,纳米零价铁易受周围环境的影响,稳定性较差,对目标污染物的选择性较差。为了弥补这些不足,硫化纳米零价铁、表面改性纳米零价铁（如聚合物改性、表面活性剂改性、稳定剂改性等）和多孔材料（如活性炭、蒙脱石、沸石、碳纳米管、金属有机框架材料等）支撑的纳米零价铁被成功制备并用于重金属离子的高效去除。我们课题组在纳米零价铁材料功能化领域开展了一系列创新性的工作,成功构筑了沸石MCM-41支撑的纳米零价铁、水滑石支撑的纳米零价铁、竹荪生物炭支撑的纳米零价铁、偕氨肟改性的纳米零价铁等多种纳米零价铁基材料,并通过微观光谱分析和理论计算验证了纳米零价铁基材料与重金属离子之间的去除机制为吸附和还原协同作用。

通过前期对纳米零价铁基材料的调研、认识、总结和研究,2016年我们课题组在Environmental Science & Technology期刊上发表了题为“Environmental remediation and application of nanoscale zero-valent iron and its composites for the removal of heavy metal ions: A review”的综述文章。如图2,该论文介绍了原始纳米零价铁、表面改性纳米零价铁、多孔材料支撑的纳米零价铁和无机粘土矿物支撑的纳米零价铁的制备方法,纳米零价铁基材料去除水体中重金属离子的性能和影响因素,纳米零价铁基材料与重金属离子之间的作用机理,进一步展望了纳米零价铁基材料在水体中重金属离子去除领域存在的问题和未来可研究领域。

纳米零价铁材料常作为吸附材料用于去除水体中的重金属污染物,包括铅、铬、镍、镉、铜等。纳米零价铁材料对重金属离子的去除能力受到很多因素影响,主要包括溶液pH值、反应时间、吸附剂用量、共存离子、温度等。其中,溶液pH值会同时影响纳米零价铁材料的表面性质和重金属离子的物种分布,对重金属离子的去除具有显著影响。随着反应时间的增长、吸附剂用量的增加和反应温度的升高,纳米零价铁材料对重金属离子的去除率逐步提高。纳米零价铁材料对重金属离子的去除表现出较快的反应动力学和较高的去除量,表明二者之间形成了较强的化学吸附、氧化还原作用或表面络合作用。宏观实验、微观光谱分析和理论计算研究表明纳米零价铁材料去除重金属离子的机理主要包括静电作用、离子交换、表面络合、还原作用和共沉淀作用等。

为了进一步提高纳米零价铁去除重金属离子的性能,研究者制备了一系列改性纳米零价铁和零价铁纳米复合材料。常见的改性方法有表面改性和多孔材料支撑纳米零价铁。表面改性方法主要采用硫化改性和表面修饰,引入修饰剂或稳定剂可以增加原始纳米零价铁表面的含氧官能团,如环氧基、羟基和羧基,这些含氧官能团能与重金属离子形成稳定的复合物,进而提高重金属离子的选择性吸附能力。与在纳米零价铁表面涂覆大分子稳定剂不同,物理化学负载方法不仅可以分散纳米颗粒,而且可以协同利用不同材料的优势,从而改善重金属的去除效果。利用多孔材料优异的物理化学性质和长效分散性能,引入多孔材料来支撑和分散纳米零价铁。多孔材料支撑的纳米零价铁在一定程度上可以阻止纳米粒子的团聚,并且可以进一步提高纳米零价铁的表面积和增加其活性位点,进而提高污染物的去除效果。目前常用的多孔材料包括天然粘土材料（如沸石、蒙脱石、高岭石等）、碳材料（生物炭、石墨烯、碳纳米管等）以及新型纳米材料（如双金属氧化物、金属有机框架材料、共价有机骨架材料等）。相对于原始纳米零价铁,制备得到的纳米零价铁复合材料在官能团、孔结构、表面活性位点、稳定性、分散性等方面都具有大幅度的改善,并能有效减少纳米零价铁的团聚。纳米零价铁复合材料的合成和应用已经成为扩展纳米零价铁材料在水污染处理应用中的重要探索。

纳米零价铁基材料来源广泛、反应位点密度强以及活性位点丰富的特性使其在重金属离子处理领域表现出优异的性能,如反应动力学快、吸附能力强和良好的选择性等,决定了纳米零价铁基材料在水污染控制领域的广泛应用。纳米零价铁基材料对重金属离子的高效去除主要归因于改性材料表面官能团与重金属离子的配位作用以及纳米零价铁与重金属离子之间的氧化还原作用。尽管纳米零价铁基材料在重金属污染治理领域表现出巨大的潜能,但是仍然面临诸多挑战,如：纳米零价铁的稳定性问题是限制其实际应用的根本性问题,因此需要进一步开发功能优异的稳定剂或支撑材料来提高纳米零价铁的反应寿命,同时保持对目标污染物的高反应活性和高选择性。自然水体环境中成分复杂多变,目前大部分相关实验都是在实验室内进行的模拟实验,缺少实际水污染处理的小试和中试探究,需要深入研究纳米零价铁基材料在复杂条件下对重金属离子的去除效果,同时应该重点关注纳米零价铁在复杂环境条件下的迁移转化行为。