一种针铁矿及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种针铁矿及其制备方法和应用，该针铁矿表面的结构羟基与晶格氧浓度比为1.1～2；其制备方法包括以下步骤：1)配制浓度为0.1～10mol/L的碱溶液；2)配制浓度为0.1～5mol/L的铁盐溶液；3)移取步骤1)中的碱溶液与步骤2)中的铁盐溶液至密闭容器中，在60～90℃温度及密闭条件下反应6～12h，所述碱溶液与所述铁盐溶液按OH

【技术实现步骤摘要】
一种针铁矿及其制备方法和应用
本专利技术涉及超标含砷地下水的处理技术，具体指一种针铁矿及其制备方法和应用。
技术介绍
重金属砷是对人体危害极大的元素之一，长期饮用含砷地下水，会引起慢性中毒，甚至死亡。我国是矿物资源大省，随着社会经济的发展需要，矿区资源的过度开采与冶炼，导致了我国南方地区地下水中重金属砷超标，已经严重威胁到了矿区生态植被环境以及当地人民的生命安全。因此加快对矿区地下水重金属污染的治理工作显得尤为重要。可渗透反应格栅(PRB)吸附技术被认为是高效处理矿区重金属污染的重要方法之一，其核心在于活性填料吸附剂。针铁矿是土壤中分布非常广泛的铁氧化物，由于其价格低廉、环境友好，常作为PRB的活性填料应用于重金属的吸附材料。但是目前市售的铁氧化物吸附砷性能很低。为了提高针铁矿的吸附性能，科学家采取了一系列的措施，如Silva等合成了Al掺杂的针铁矿样品，发现Al掺杂能够提高针铁矿吸附As(V)的性能，具有13％Al掺杂量的针铁矿吸附As(V)的性能最好(31.2mg/g)。Guo等发现直接合成的针铁矿吸附性能很低(11.2mg/g)，通过磷铁矿转化为针铁矿这一策略，能够显著提高As(V)的吸附性能(121mg/g)，但是矿相转化需要在400℃煅烧3h，在一定程度上增加了能耗和成本。因此，如何采用经济成本低廉、合成工艺简单的策略来提高针铁矿吸附砷的吸附容量，将是实现针铁矿作为活性填料应用于治理地下水砷污染的关键，也是目前亟待解决的技术问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种针铁矿及其制备方法和应用，本专利技术吸附剂成本低廉、吸附砷效果好、制备工艺简单。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种针铁矿，所述针铁矿表面的结构羟基与晶格氧浓度比为1.1～2。进一步地，所述针铁矿表面的结构羟基与晶格氧浓度比为1.67～1.85。一种针铁矿的制备方法，包括以下步骤：1)配制浓度为0.1～10mol/L的碱溶液；2)配制浓度为0.1～5mol/L的铁盐溶液；3)移取步骤1)中的碱溶液与步骤2)中的铁盐溶液至密闭容器中，在60～90℃温度及密闭条件下反应6～12h，所述碱溶液与所述铁盐溶液按OH-：Fe3+的摩尔比为0.02～100:1的比例加入；4)将步骤3)反应后的沉淀洗涤干燥后即得所述针铁矿。进一步地，所述步骤1)中的碱溶液为氢氧化钾溶液、氢氧化钠溶液和氢氧化钙溶液中的一种或多种的混合。进一步地，所述步骤2)中的铁盐溶液为氯化铁溶液、硝酸铁溶液和硫酸铁溶液中的一种或或多种的混合。进一步地，所述步骤3)中，碱溶液和铁盐溶液的移取顺序为，先移取碱溶液，然后再移取铁盐溶液。进一步地，所述步骤3)中，反应温度为60～80℃，反应时间为6～8h。进一步地，所述步骤4)中，干燥方法为冻干。一种权利要求1所述针铁矿的应用，将所述针铁矿用作吸附剂来吸附水体中的重金属砷，以降低水体中的砷浓度。进一步地，所述针铁矿吸附砷的吸附容量为24.0～77.3mg砷/g针铁矿。与现有技术相比，本专利技术有以下优点：其一，本针铁矿表面的结构羟基与晶格氧浓度之比(OH/O2-)远高于现有针铁矿，其表面具有更多的缺陷，从而提高表面砷吸附位点的浓度，进而提高As(V)的吸附去除效果。本专利技术吸附剂单位质量吸附As(V)的饱和吸附量为24.0～77.3mg/g(反应pH为5、吸附温度为25℃条件下的饱和吸附量为77.3mg砷/g针铁矿)，其吸附性能远远高于商品铁氧化物(反应pH为5、吸附温度为25℃条件下的饱和吸附量为4.6mg砷/g针铁矿)及目前文献报道的针铁矿吸附剂的吸附砷性能。其二，本专利技术以三价铁盐和强碱为原材料，采用温和的一步水热法合成针铁矿吸附剂，降低了老化时间和老化温度，工艺流程简单、操作便捷、生产成本较低。附图说明图1为实施例1～4针铁矿的特征X-射线衍射图(XRD)。图2为实施例1针铁矿的扫描电镜图。图3为实施例2针铁矿的扫描电镜图。图4为实施例1和实施例2针铁矿及商品铁氧化物的等温吸附曲线。图5为实施例3针铁矿和商品铁氧化物的等温吸附曲线。图6为实施例4针铁矿和商品铁氧化物的等温吸附曲线。具体实施方式下面结合具体实施例及附图对本专利技术作进一步详细说明，便于更方便地了解本专利技术，但它们不对本专利技术构成限定。实施例11)称取0.75mol氢氧化钠溶于150mL的蒸馏水中，用玻璃棒搅拌溶解；2)将0.1mol的九水硝酸铁溶于100mL的蒸馏水中，然后加入到步骤1)溶液中，混匀；3)将步骤2)中悬浊液加蒸馏水至体积为1.8L，然后用保鲜膜封住烧杯口，在60℃下反应6h；4)待反应结束，将步骤3)反应得到的底物用蒸馏水反复洗涤，去除表面吸附游离离子；将洗涤后的样品冷冻干燥，即可以得到针铁矿吸附剂。吸附剂物相鉴定：实施例1得到吸附剂XRD图谱如图1所示，为针铁矿结构，扫面电镜图如图2所示，所制备针铁矿为典型的针状结构，其中有部分针状断裂，形成表面缺陷。相对缺陷浓度：实施例1得到吸附剂表面结构羟基/晶格氧浓度(OH/O2-)之比如表1所示，为1.85，高于现有针铁矿(1.07)，表明所制备的样品含有更多的阳离子缺陷。吸附剂吸附效果评价：五价砷As(V)的等温吸附实验及Langmuir方程拟合结果显示As(V)的饱和吸附量为33.3mg/g。如图4所示，实施例1所得吸附剂的净化效果好于市面商品铁氧化物吸附剂(4.6mg/g)。实施例21)称取0.75mol氢氧化钠溶于150mL的蒸馏水中，用玻璃棒搅拌溶解；2)将0.1mol的硝酸铁溶于100mL的蒸馏水中，后加入到1)中溶液，混匀；3)将2)中混匀悬浊液加蒸馏水至体积为1.8L。然后用保鲜膜封住烧杯口，在60℃下反应12h；4)待反应结束，将上述反应得到的底物用蒸馏水洗涤，去除表面吸附游离离子；将洗涤后的样品放置冷冻干燥，即可以得到针铁矿吸附剂。吸附剂物相鉴定：实施例2得到吸附剂XRD图谱如图1所示，为针铁矿结构，扫面电镜图如图3所示，所制备针铁矿为典型的针状结构。相对缺陷浓度：实施例1得到吸附剂表面结构羟基/晶格氧浓度(OH/O2-)之比如表1所示，为1.81，高于现有针铁矿(1.07)，表明所制备的样品含有较多的阳离子缺陷。吸附剂吸附效果评价：As(V)的等温吸附实验及Langmuir方程拟合结果显示As(V)的饱和吸附量为24.0mg/g。如图4所示，实施例2所得吸附剂的净化效果好于市面商品铁氧化物吸附剂(4.6mg/g)。实施例31)称取0.75mol氢氧化钠溶于150mL的蒸馏水中，用玻璃棒搅拌溶解；2)将0.1mol的氯化铁溶于100mL的蒸馏水中，然后加入到步骤1)溶液中，混匀；3)将步骤2)中悬浊液加蒸馏水至体积为1.8L。然后用保鲜膜封住烧杯口，在60℃下反应6h；4)待反应结束，将步骤3)反应得到的底物用蒸馏水反复洗涤，去除表面吸附游离离子；将洗涤后的样品冷冻干燥，即可以得到针铁矿吸附剂。吸附剂物相鉴定：实施例1得到吸附剂XRD图谱如图1所示，为针铁矿结构。相对缺陷浓度：实施例3得到吸附剂表面结构羟基/晶格氧浓度(OH/O2-)之比如表1所示，为1.67，高于现有针铁矿(1.07)，表明所制备的样品含有较多的阳离子缺陷。吸附剂吸附效果评价：As(V)的等温吸附实验及Langmui本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种针铁矿，其特征在于：所述针铁矿表面的结构羟基与晶格氧浓度比为1.1～2。

【技术特征摘要】
1.一种针铁矿，其特征在于：所述针铁矿表面的结构羟基与晶格氧浓度比为1.1～2。2.根据权利要求1所述针铁矿，其特征在于：所述针铁矿表面的结构羟基与晶格氧浓度比为1.67～1.85。3.一种针铁矿的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：1)配制浓度为0.1～10mol/L的碱溶液；2)配制浓度为0.1～5mol/L的铁盐溶液；3)移取步骤1)中的碱溶液与步骤2)中的铁盐溶液至密闭容器中，在60～90℃温度及密闭条件下反应6～12h，所述碱溶液与所述铁盐溶液按OH-：Fe3+的摩尔比为0.02～100:1的比例加入；4)将步骤3)反应后的沉淀洗涤干燥后即得所述针铁矿。4.根据权利要求3所述针铁矿的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中的碱溶液为氢氧化钾溶液、氢氧化钠溶液和氢氧化钙溶液中的一种或多种...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯静涛，沙振杰，汪明霞，谭文峰，
申请(专利权)人：华中农业大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42