Synthesis of Highly Reactive Subnano-Sized Zero-Valent Iron Using Smectite Clay Templates

Abstract

A novel method was developed for synthesizing subnano-sized zero-valent iron (ZVI) using smectite clay layers as templates. Exchangeable Fe(III) cations compensating the structural negative charges of smectites were reduced with NaBH4, resulting in the formation of ZVI. The unique structure of smectite clay, in which isolated exchangeable Fe(III) cations reside near the sites of structural negative charges, inhibited the agglomeration of ZVI resulting in the formation of discrete regions of subnanoscale ZVI particles in the smectite interlayer regions. X-ray diffraction revealed an interlayer spacing of ~ 5 Å. The non-structural iron content of this clay yields a calculated ratio of two atoms of ZVI per three cation exchange sites, in full agreement with the XRD results since the diameter of elemental Fe is 2.5 Å. The clay-templated ZVI showed superior reactivity and efficiency compared to other previously reported forms of ZVI as indicated by the reduction of nitrobenzene; structural Fe within the aluminosilicate layers was nonreactive. At a 1:3 molar ratio of nitrobenzene:non-structural Fe, a reaction efficiency of 83% was achieved, and over 80% of the nitrobenzene was reduced within one minute. These results confirm that non-structural Fe from Fe(III)-smectite was reduced predominantly to ZVI which was responsible for the reduction of nitrobenzene to aniline. This new form of subnano-scale ZVI may find utility in the development of remediation technologies for persistent environmental contaminants, e.g. as components of constructed reactive domains such as reactive caps for contaminated sediments.

A fabrication strategy for nanosized zero valent iron (nZVI)–polymeric anion exchanger composites with tunable structure for nitrate reduction

“…An effective strategy to solve this problem is to stabilize nZVI within a variety of nanoporous materials to obtain composite materials, and activated carbon [14], silica [15], zeolite [16], polymeric resin [17] and smectite clay [18] are widely used as the host materials. In review of the available references, almost all of the references focused on preparation and characterization of the resultant nZVI composites as well as their performance in contaminant remediation [12,[14][15][16][17][18][19]. Till now, little is known about the relationship between the characteristics of the loaded nZVI distribution and the performance of the resultant hybrid materials.…”

Synthesis and sorption properties of composite materials based on nanoscale Fe0

“…В якості темплат при синтезі можуть бути використані різнома-нітні поруваті матеріали, серед яких суттєві переваги мають природні дисперсні мінерали з групи шаруватих та шарувато-стрічкових силікатів, що поєднують високу питому поверхню і реакційну здатність зразків з їх низь-кою вартістю [11,12]. Застосування таких композицій-них матеріалів доцільно, як в стаціонарних сорбційних процесах, так і в новітніх природоохоронних in situ тех-нологіях очищення підземних вод і грунтів, що базують-ся на безпосередньому закачуванні активної речовини у вигляді водних чи водно-органічних дисперсій в забруд-нені шари грунту через нагнітальні свердловини [13].…”

Removal of chromium(VI) and uranium(VI) from aqueous solutions by the immobilized nanoscale Fe0

“…Саме таким вимогам задовольняють технології, що базуються на використанні компо-зиційних сорбційно-відновлювальних матеріалів на основі нанорозмірного 0 Fe і природних глинистих мінералів [5]. Використання при синтезі такого роду композитів неорганічної матриці, на поверхні якої іммобілізуються первинні зародки 0 Fe , забезпечує підвищену дисперсність нанорозмірного заліза та перешкоджає його агрегації [6,7]. В якості останньої можуть виступати природні глинисті мінерали, ха-рактерним для яких є здатність до утворення міцних поверхневих комплексів з іонами металів за рахунок значної кількості активних центрів, які можуть зна-ходитись як на базальних, так і на бічних гранях крис-талів [8].…”