核壳结构铁铜双金属材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种核壳结构铁铜双金属材料及其制备方法和应用，该核壳结构铁铜双金属材料包括纳米铜颗粒，其表面依次包覆有纳米零价铁层和氧化铁层形成核壳结构。其制备方法包括制备纳米铜颗粒表面包覆有纳米零价铁的材料以及通过老化处理在纳米零价铁层表面制备氧化铁层。本发明专利技术核壳结构铁铜双金属材料具有性能稳定、适用性好、成本低、无二次污染等优点，其制备方法具有制备过程简单、操作简便、成本低、能耗低、不产生有毒有害物质、环境友好等优点，适合大规模生产和应用。本发明专利技术核壳结构铁铜双金属材料可用于处理含砷废水，具有应用方法简单、成本低、吸附速率快、去除率高等优点，能够实现对废水中砷的有效去除，具有较好的应用前景。

Core-shell structure Fe Cu bimetal material and its preparation method and Application

The invention discloses a nuclear shell structure iron copper double metal material and its preparation method and application. The core and shell structure iron copper bimetal material includes nano copper particles, and the surface of the shell structure is coated with nano zero valent iron layer and iron oxide layer to form a nuclear shell structure. The preparation method includes the preparation of nanoscale zero valent iron on the surface of nano copper particles and the preparation of iron oxide layer on the surface of nanometer zero valent iron layer by aging treatment. The nuclear shell structure iron copper bimetallic material has the advantages of stable performance, good applicability, low cost and no two pollution. The preparation method has the advantages of simple preparation process, simple operation, low cost, low energy consumption, no toxic and harmful substances, environmental friendly and so on. It is suitable for large-scale production and application. The iron and copper double metal material with nuclear shell structure can be used in the treatment of arsenic containing wastewater. It has the advantages of simple application method, low cost, fast adsorption rate and high removal rate, and can effectively remove arsenic in wastewater. It has a good application prospect.

【技术实现步骤摘要】
核壳结构铁铜双金属材料及其制备方法和应用
本专利技术属于材料
，涉及一种铁基吸附材料及其制备方法和应用，具体涉及一种核壳结构铁铜双金属材料及其制备方法和应用。
技术介绍
重金属砷广泛存在于各种工农业废水中，特别是三价砷具有更高的毒性、致癌性以及难去除性，严重危害着公共健康和生态环境。重金属砷可以通过饮食、皮肤接触，甚至空气传播等途径侵入人体，影响人体的健康。因此，去除水体中的重金属砷受到了国内外的广泛关注。目前，去除废水中的砷的方法，主要有：化学沉淀或絮凝法、膜分离技术、离子交换和吸附法。吸附法以其吸附操作方便，净化剂的种类多样、运行成本低、处理效率高等优势而被广泛应用。如，铁基材料是一种在自然界广泛存在、价格廉价、环境友好型的吸附材料，在工业废水处理领域有较好的应用前景，特别是含砷废水，铁基材料可以通过吸附共沉淀的方式有效的净化含砷废水。然而，耗时久、效率低是目前铁基材料处理含砷废水过程中面临的巨大问题。例如：纳米零价铁材料在水体中容易团聚和钝化，限制了其对砷的去除效率和速率；铁铜双金属提高了铁的活性，但是面临着铜离子泄露，易造成二次污染等问题。因此获得一种可以快速、高效净化含砷废水的环境友好型材料具有重大意义。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种性能稳定、适用性好、成本低、无二次污染的核壳结构铁铜双金属材料，还提供了一种制备过程简单、操作简便、成本低的核壳结构铁铜双金属材料的制备方法以及该核壳结构铁铜双金属材料在处理含砷废水中的应用，具有应用方法简单、成本低、对三价砷去除率高等优点。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种核壳结构铁铜双金属材料，所述核壳结构铁铜双金属材料包括纳米铜颗粒；所述纳米铜颗粒表面依次包覆有纳米零价铁层和氧化铁层形成核壳结构。上述的核壳结构铁铜双金属材料，进一步改进的，所述核壳结构铁铜双金属材料中铜与铁的质量比为0.1～1∶2；所述核壳结构铁铜双金属材料的粒径为30nm～40nm。上述的核壳结构铁铜双金属材料，进一步改进的，所述核壳结构铁铜双金属材料中铜与铁的质量比为1～3∶10。作为一个总的专利技术构思，本专利技术还提供了一种上述的核壳结构铁铜双金属材料的制备方法，包括以下步骤：S1、将纳米铜颗粒分散液与亚铁离子溶液混合，加入还原剂进行还原反应，得到纳米铜颗粒表面包覆有纳米零价铁的材料；S2、将步骤S1中的纳米铜表面包覆有纳米零价铁的材料进行老化处理，得到核壳结构铁铜双金属材料。上述的制备方法，进一步改进的，步骤S1中，所述纳米铜颗粒分散液、亚铁离子溶液、还原剂的体积比为50∶3∶1；所述亚铁离子溶液为硫酸亚铁溶液；所述亚铁离子溶液中Fe2+的浓度为20.0g/L～30.0g/L；所述还原剂为硼氢化钠溶液；所述还原剂的浓度为75g/L～85g/L；所述还原剂的加入速率为0.5mL/min～2mL/min；所述还原反应的时间为10min～20min；和/或，步骤S2中，所述老化处理的时间为1h～4h。上述的制备方法，进一步改进的，步骤S1中，所述纳米铜颗粒分散液的制备方法包括以下步骤：（1）往铜离子溶液中通入惰性气体，去除溶液中的溶解氧；（2）在惰性气体保护下将还原剂添加到步骤（1）去除溶解氧后的铜离子溶液中，搅拌，直至出现黑色颗粒，停止加入还原剂，得到纳米铜颗粒分散液。上述的制备方法，进一步改进的，步骤（1）中，所述惰性气体持续通入30min以上；所述惰性气体为氮气或氩气；所述铜离子溶液由含铜化合物溶于分散剂中制备得到；所述含铜化合物与分散剂的质量体积比为0.183g～1.83g∶500mL；所述含铜化合物为氯化铜、五水硫酸铜；所述分散剂为柠檬酸三钠溶液；所述分散剂的浓度为15.0mmol/L～20.0mmol/L；和/或，步骤（2）中，所述惰性气体为氮气或氩气；所述还原剂为硼氢化钠溶液；所述还原剂的浓度为75g/L～85g/L；所述还原剂的添加速率为0.5mL/min～2mL/min；所述搅拌的转速为300rpm～500rpm。作为一个总的专利技术构思，本专利技术还提供了一种上述的核壳结构铁铜双金属材料在处理含砷废水中的应用。上述的应用，进一步改进的，包括以下步骤：将核壳结构铁铜双金属材料与含砷废水混合进行振荡吸附，完成对含砷废水的处理；所述核壳结构铁铜双金属材料的添加量为每升含砷废水中添加核壳结构铁铜双金属材料50mg～200mg。上述的应用，进一步改进的，所述含砷废水中三价砷的初始浓度为3mg/L～6.7mg/L；和/或，所述含砷废水的pH值为3～9；和/或，所述振荡吸附的温度为25℃～30℃；所述振荡吸附的转速为180rpm～200rpm；所述振荡吸附的时间为20min～60min。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：（1）本专利技术提供了一种核壳结构铁铜双金属材料，包括纳米铜颗粒，其中纳米铜颗粒表面依次包覆有纳米零价铁层和氧化铁层形成核壳结构。本专利技术中，以纳米铜颗粒为核心材料，保留了零价铜的活性，同时通过在纳米铜颗粒表面依次包覆有纳米零价铁层和氧化铁层形成核壳结构，可以避免铜离子泄露造成二次污染，且该独特的核壳结构也能够提高纳米铜的活性，改变材料活化分子氧的电子传递路径，增加电子传递路径的数量，促进纳米铁的腐蚀生成铁的氧化产物，从而使得实现快速高效的净化含砷废水。本专利技术核壳结构铁铜双金属材料具有性能稳定、适用性好、成本低、无二次污染等优点。（2）本专利技术的核壳结构铁铜双金属材料，由于含有纳米零价铁层使得材料具有较强的磁性，可以借助外部磁场作用实现与液相的快速分离，避免离心或者过滤分离等操作带来的不便，大大降低了操作的难度和成本，提高了吸附效率。（3）本专利技术核壳结构铁铜双金属材料，由于本身独特的核壳结构，可以活化分子氧产生大量的自由基（如：双氧水，羟基自由基，和超氧根离子自由基），可以快速高效地将三价砷转化为五价砷，降低了含砷废水的毒性和处理难度，实现氧化-吸附-共沉淀一体化处理。本专利技术的核壳结构铁铜双金属材料具有强的吸附能力和较高的氧化能力，应用于处理含砷废水时，能够有效地将废水中的三价砷氧化成五价砷，降低其毒性的同时通过吸附共沉淀作用去除砷，可以在极短的时间内高效率净化含砷废水，解决了目前大部分铁基材料在处理含砷废水时所面临的耗时久、效率低等难题。（4）本专利技术提供了一种核壳结构铁铜双金属材料的制备方法，通过还原法将亚铁离子还原成纳米零价铁并包覆在纳米铜颗粒表面形成纳米铜颗粒表面包覆有纳米零价铁的材料，同时通过对纳米铜颗粒表面包覆有纳米零价铁的材料进行老化处理，在纳米零价铁表面形成一层氧化铁，从而制得具有核壳结构的核壳结构铁铜双金属材料，具有制备过程简单、操作简便、成本低、能耗低、不产生有毒有害物质、环境友好等优点，适合大规模生产和应用。（5）本专利技术制备方法中，优化了还原剂的添加速率，旨在制备颗粒粒径更小的核壳结构铁铜双金属材料，提高材料的比表面积和吸附性能，其中通过控制还原剂的添加速率为0.5mL/min～2mL/min，制备得到了粒径为30nm～40nm的核壳结构铁铜双金属材料。（6）本专利技术还提供了一种处理含砷废水的方法，利用本专利技术核壳结构铁铜双金属材料处理含砷废水，具有应用方法简单、成本低、吸附速率快、去除率高等优点，能够实现对本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种核壳结构铁铜双金属材料，其特征在于，所述核壳结构铁铜双金属材料包括纳米铜颗粒；所述纳米铜颗粒表面依次包覆有纳米零价铁层和氧化铁层形成核壳结构。

【技术特征摘要】
1.一种核壳结构铁铜双金属材料，其特征在于，所述核壳结构铁铜双金属材料包括纳米铜颗粒；所述纳米铜颗粒表面依次包覆有纳米零价铁层和氧化铁层形成核壳结构。2.根据权利要求1所述的核壳结构铁铜双金属材料，其特征在于，所述核壳结构铁铜双金属材料中铜与铁的质量比为0.1～1∶2；所述核壳结构铁铜双金属材料的粒径为30nm～40nm。3.根据权利要求2所述的核壳结构铁铜双金属材料，其特征在于，所述核壳结构铁铜双金属材料中铜与铁的质量比为1～3∶10。4.一种如权利要求1～3中任一项所述的核壳结构铁铜双金属材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将纳米铜颗粒分散液与亚铁离子溶液混合，加入还原剂进行还原反应，得到纳米铜颗粒表面包覆有纳米零价铁的材料；S2、将步骤S1中的纳米铜表面包覆有纳米零价铁的材料进行老化处理，得到核壳结构铁铜双金属材料。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述纳米铜颗粒分散液、亚铁离子溶液、还原剂的体积比为50∶3∶1；所述亚铁离子溶液为硫酸亚铁溶液；所述亚铁离子溶液中Fe2+的浓度为20.0g/L～30.0g/L；所述还原剂为硼氢化钠溶液；所述还原剂的浓度为75g/L～85g/L；所述还原剂的加入速率为0.5mL/min～2mL/min；所述还原反应的时间为10min～20min；和/或，步骤S2中，所述老化处理的时间为1h～4h。6.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述纳米铜颗粒分散液的制备方法包括以下步骤：（1）往铜离子溶液中通入惰性气体，去...

【专利技术属性】
技术研发人员：汤琳，冯浩朋，陈嵩，曾光明，余江芳，冯程洋，刘思诗，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43