Transcript 3)奈米零價鐵除水污染
鐵靛 ㄉ一ㄥˋ無色 -- 奈米零價鐵除水污染 路竹高中 鍾志輝 地球資源分類 目前人類使用的各種能源 非再生能源 可再生能源 水力 – 經由興建大壩攔截河水，利用水位落差來發電。 – 優點 • 發電技術成熟，價格低廉。 • 水庫更具有防洪、供水、航運等功能。 – 缺點 • 水力發電有地理、氣候條件的限制。 • 水庫興建費用高昂。 • 水庫對生態環境會造成影響。 水質汙染 • 導因於河流、湖泊或地下水遭受到工廠廢水、 市 鎮汙水、醫院畜牧汙水、農藥肥料等所汙 染，尤其是放射性或有毒廢水對環境破壞尤其 嚴重。 • 臺灣50 條重要河川，有三分之一的公里數已受 到汙染，惡臭、重金屬汙染、優養化等時 有所聞，嚴重危害水中生物及周圍環境。 高雄縣、臺南縣、臺南市的界河—二仁溪 攝影：黃煥彰、晁瑞光 土壤汙染 – 來源 • 廢水、空氣落塵、廢棄物、農藥肥料、酸雨等的 汙染。 – 土壤遭受汙染，不僅土壤品質惡化，根著其 上的 作物亦受波及，甚至影響到地下水源， 威脅到飲用水的安全。 – 其中，最為嚴重的，當屬工業廢水中所含的 鉛、鎘、砷等重金屬沉積在土壤中，經食物 鏈進入人體，當累積到一定限量後，就會產 生中毒。 鐵－－物性與化性 ◎銀白色金屬，硬而有延展性，熔點為1538℃，沸點為 2750℃。有很強的鐵磁性，有良好的可塑性和導熱性。 ◎ 日常中，鐵通常含有碳因而暴露在空氣中容易發生電化學腐 蝕（與氧及水），而純度較高的鐵則不易腐蝕。 ◎ 具有金屬通性，能與非金屬單質、酸、鹽等反應。 ◎ 在氧氣中燃燒後生成四氧化三鐵。 在高溫下鐵可以與水蒸氣 反應，生成四氧化三鐵和氫氣。 ◎ 可以形成3種氧化物，分別是氧化亞鐵（FeO）， 氧化鐵（Fe2O3）和四氧化三鐵（Fe3O4）（ FeO‧ Fe2O3 ）。 鐵的冶煉 製備單質鐵一般採用冶煉法。以赤鐵礦（Fe2O3）和磁鐵 礦（Fe3O4）為原料與焦炭和助溶劑在熔礦爐內反應。 C + O2 CO2 CO2 +C 2 CO Fe2O3 + 3 CO 2Fe + 3 CO2 Fe3O4 + 4 CO 3Fe + 4 CO2 Fe O + CO Fe + CO2 （以上反應都是可逆反應） 上述反應一氧化碳濃度越大越好，要使反應進行完全 必須在800度以上進行。化學上純的鐵是用氫氣還原純 氧化鐵來製取，也可由五羰基鐵（鐵與羰基化合物 Fe(CO)5 ）來製取，通過其熱分解來得到純鐵。 [ 小尺寸效應 當顆粒變小時所導致的光、聲、電、磁、熱等性 質變化。譬如：特別強韌、超耐熱或導電性超強。 「金」，顏色會改變且變成觸媒。 原子無色１埃 小於1奈米，澄色 小於10奈米，黑色。 30奈米，紅色 50奈米，綠色。 大於100nm，金黃色 鐵粉無去污力，But 奈米鐵 ？？ 奈米粒子製備的途徑 ◎由上往下：機械研磨法 如何把鐵「磨」成像墨水一樣的「漿」? 研缽（承磨器）與杵（磨頭）硬度夠？ 缺點：1.極限大約在100 nm 2.粒徑分布不均勻 奈米特性不穩定 ◎ 由下往上：化學還原法、共沈澱法或含浸法等 Fe 3+ + 3e- Fe 成核 成長 奈米鐵 優點：粒徑分布均勻（加分散劑） 強還原劑- 硼氫化鈉 硼氫化鈉是一種無機化合物，分子式 NaBH4。硼氫化鈉為白色粉末，容易吸水 潮解，可溶於水和低級醇，在室溫下與 甲醇迅速反應生成氫氣。在無機合成和 有機合成中硼氫化鈉常用做還原劑。 硼氫化鈉是由 H. C. Brown 和他的導 師Schlesinger 於1942 在芝加哥大學 發現的。 實驗 (一) 製作0.25 M硼氫化鈉水溶液 小組長 1.將100ml蒸餾水加入250ml玻璃瓶 2.秤取0.25克硼氫化鈉 3.將0.25克硼氫化鈉加入玻璃瓶搖晃幾下即 製得0.25 M硼氫化鈉水溶液 (二) 製作奈米零價鐵每一學員 1.取 5 ml之硼氫化鈉溶液。 2.將樣本瓶下墊強力磁鐵。 3.垂直滴入 氯化鐵 溶液 7-8 滴。 4.瓶底輕敲 將零價鐵吸於瓶底。 (三) 奈米零價鐵除汙實驗每一學員 1.連瓶底磁鐵一起握住。 2.將零價鐵上的無色液體倒出。 3.加入蒸餾水20ml於式樣瓶，搖晃10次 4.重複步驟1-2 5.再次重複步驟1-3 6.將 5ml的污水倒入零價鐵樣本瓶中。 7.旋緊瓶蓋，搖晃20次。 8.將樣本瓶置於強力磁鐵上。 9.觀察實驗結果 (四) 老師實驗對照組 • 將細鐵粉至於樣本瓶中，加入汙水觀察 除汙能力 • 請同學對照不同處 討論、發想與結論 • 老師引導同學 • 有發表的同學將贈送實用奈米禮物一份 對照實驗 1. 2. 3. 4. 樣本瓶內加約1cc的鐵粉 將 5ml的污水倒入鐵粉樣本瓶中。 旋緊瓶蓋，搖晃20次。 將樣本瓶置於強力磁鐵上。 待答問題 ？？？ 1.零價鐵的去汚力須在微奈米才展現， （一般鐵粉並無去汙力）。 我們如何以還原法得到微奈米0價鐵？ 2.零價鐵去汙之化學機制為何？ 氧化還原化學合成奈米零價鐵 原理：利用硼氫化鈉（NaBH4）使氯化鐵（FeCl3．6H2O） 還原成零價鐵顆粒。 步驟 1.製作0.25 M的硼氫化鈉：100ml水加入0.25克硼氫化 鈉 2.取5ml0.25 M的硼氫化鈉加入0.045 M的氯化鐵之水溶 液中 3.加入時以快速攪拌溶液以生成奈米零價鐵顆粒。 每一批次以100 ml 硼氫化鈉與100 ml氯化鐵，可合成 之奈米零價鐵量為0.25 g。 氧化還原化學合成奈米零價鐵 原理：利用硼氫化鈉（NaBH4）使氯化鐵 （FeCl3．6H2O）還原成零價鐵顆粒。 製作過程： 1.製作體積比1:1之0.25 M的硼氫化鈉(100ml水 +0.25克硼氫化鈉) 2.將0.045 M的氯化鐵之水溶液中 3.加入時快速攪拌溶液，生成奈米零價鐵顆粒 0 價鐵 反應方程式 4 Fe3+ + 3NaBH4 + 9 H2O → 4Fe0+3H2BO3 + 12 H+ + 6 H2 - Fe3 （氧化劑） 被還原成 利用 NaBH4- 作為 還原劑 ＋ Fe 反應機制與環保 ◎具有核殼結 構的奈米零價 鐵（簡稱奈米 鐵）粒子 (<100nm)，核 心內層為金屬 鐵)，外層為 氧化鐵，具有 吸附與反應的 雙重能力 具 奈米鐵不會汙染環境；實驗証實，奈米零價鐵最終主要 轉化為Fe3O4與Fe2O3形態，二者為地球富藏的物質。 檢測 1 － 奈米 ？ 掃描式電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）觀察奈米零價鐵表面 型態及顆粒尺寸大小； 檢測 2 － 鐵 ？ EDS 做全能譜的定性分析，測定合成之奈米零 價鐵表面元素成份 及其相對含量。 延伸思考 Fe 活性較重金屬大？零價鐵是否 可吸附重金屬利用於環境工程上。 如果能以微米級鐵粉，取代零價鐵在實 用上可能會比較方便？ 零價鐵粒徑多少有最佳的去污力 想想看，我們如何控制？ 祈願未來，不僅是能生存，還要有 良好的生活品質，就從現在做起！