一种铁氧化物负载的活性炭及其合成方法与应用技术

本发明专利技术属于水处理领域，公开了一种铁氧化物负载的活性炭及其合成方法与应用。合成方法包括以下步骤：将活性炭浸渍在铁源的水溶液中，超声处理，然后蒸干、焙烧，即得铁氧化物负载的活性炭。该合成方法带来Fe的负载、Fe‑O‑C键的产生以及孔道内纤维丝状结构的形成；该活性炭具有大的比表面积，有机污染物更充分地吸附在活性炭孔道内，附着生长的微生物胞外电子传递速率被加快，生物膜的形成得到促进。本发明专利技术不止于降低出厂水中的消毒副产物和致病微生物，更是具有抑制后续自来水管网中消毒副产物生成和致病微生物再生长的作用。

【技术实现步骤摘要】
一种铁氧化物负载的活性炭及其合成方法与应用
本专利技术属于水处理领域，特别涉及一种铁氧化物负载的活性炭及其合成方法与应用。
技术介绍
近年来，饮用水管网的微生物问题逐渐受到社会关注。一般来讲，居民用户的龙头水相比自来水厂的出厂水，由于管网中微生物的再生长，水质明显恶化。为了减少此危害，在20世纪引入了氯消毒剂，因为其成本较低且在整个管网中始终保持一定的余氯浓度得以持续杀菌。然而氯消毒剂可以和水中的天然有机物反应，产生一系列有害的消毒副产物例如三卤甲烷和卤乙酸，对人体产生致癌作用。最近，饮用水管网中大量生长的条件致病菌例如Mycobacteriumavium，Legionellapneumophila和Hartmanellavermiformis等成为了公众关注的新焦点。不同于易被氯消毒剂杀死的肠道微生物，条件致病菌可以在管网中很好地生存，扩增和繁殖甚至在很高的消毒剂浓度下，因为其具有一系列的优势包括容易形成生物膜、产生大量胞外多聚物、抗寡营养性等。为提高饮用水水质，臭氧-生物活性炭组合工艺作为饮用水厂的深度处理手段被广泛应用。臭氧已经被证实可以氧化消毒副产物前驱体、去除嗅味物质、灭活致病微生物和提高有机物的可生化性，同时对后续生物活性炭的微生物代谢活性起到了促进作用。生物活性炭可以显著地去除有机污染物以及消毒副产物前驱体，同时截留了大部分致病菌。然而臭氧-生物活性炭组合技术也存在一定缺陷，比如臭氧氧化有机物过程会形成新的消毒副产物前驱体。生物活性炭高效去除有机污染物的同时，脱落的生物膜和溶解性微生物代谢产物同样可以作为消毒副产物前驱体，后者更是会对人体造成危害。此外，脱落的生物膜中含有大量的致病性微生物，较为成熟的生物膜结构对微生物起着保护作用，进入到管网后难以被氯消毒剂灭活，并得以再生长。尽管自来水出厂水的大多数微生物在加氯消毒后遭到了灭活，但是经管网输配之后龙头水中的致病微生物并没有得到有效控制，消毒副产物仍会继续生成。如果能将过渡金属氧化物负载到活性炭表面进行改性，形成金属氧键增强有机物的络合以及微生物胞外电子传递速率，且让活性炭表面的生物膜结构更优良，改善活性炭出水的有机物、生物膜形态以及微生物群落结构，进而保障后续管网中的水质稳定性，则可以同时解决龙头水的消毒副产物和致病微生物问题。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点与不足，本专利技术的首要目的在于提供一种铁氧化物负载的活性炭的合成方法。该方法以普通的活性炭作为基体，通过浸渍到铁源中、蒸干、煅烧三步合成目标新型活性炭。本专利技术另一目的在于提供上述方法制备的铁氧化物负载的活性炭，上述的合成方法带来Fe的负载、Fe-O-C键的产生以及孔道内纤维丝状结构的形成；该活性炭具有大的比表面积，有机污染物更充分地吸附在活性炭孔道内，附着生长的微生物胞外电子传递速率被加快，生物膜的形成得到促进。本专利技术的再一目的在于提供上述的铁氧化物负载的活性炭在抑制自来水管网出水中的消毒副产物和致病微生物的应用，这种抑制效果普通的活性炭并不具备。本专利技术的目的通过下述方案实现：一种铁氧化物负载的活性炭的合成方法，包括以下步骤：将活性炭浸渍在铁源的水溶液中，超声处理，然后蒸干、焙烧，即得铁氧化物负载的活性炭。所述的活性炭为椰壳活性炭、煤质活性炭、木质活性炭、竹质活性炭中的一种，优选为椰壳活性炭；所述的活性炭直径为0.5～3mm，优选为1.2mm；所述的铁源为六水氯化铁(FeCl3·6H2O)和九水硝酸铁(FeNO3·9H2O)中的一种，优选为六水氯化铁(FeCl3·6H2O)；所述的铁源水溶液的浓度为15～25g/L，优选为20g/L。所述的活性炭和铁源水溶液的用量满足：每1g的活性炭对应浸泡在(2～4)mL的铁源水溶液中，优选为每1g的活性炭对应浸泡在3mL的铁源水溶液中；所述的超声处理是指在300W功率超声处理0.5～1.5小时，优选为在300W功率超声处理1小时。超声处理主要是促进铁盐分散在活性炭发达的孔隙中，利于孔道中纤维丝状结构铁氧化物的形成，该结构必不可少，显著增强有机物吸附和微生物附着生长的位点，并且提高微生物胞外电子传递速率。所述的蒸干是指在75～95℃下蒸干；所述的焙烧的升温速率小于20℃/min，优选为5℃/min；所述的焙烧温度为200～400℃，优选为300℃；所述的焙烧时间为0.5～2h，优选为1h；所述的活性炭在浸渍到铁源的水溶液之前，还包括一个预处理步骤，预处理的目的有两个，一是去除杂质，二是活化活性炭表面基团，更利于合成过程中表面炭材料与铁氧化物成键，Fe-O-C键的形成必不可少。预处理步骤具体包括以下步骤：将活性炭依次浸渍在碱性水溶液和酸性水溶液中，然后用水洗涤，烘干备用；所述的碱性水溶液优选为50～150g/L的氢氧化钠水溶液，优选为100g/L的氢氧化钠水溶液；所述的在碱性水溶液中浸渍的时间为0.5～2h；在碱性水溶液浸泡后优选为先用水洗涤后再置于酸性水溶液中浸泡。所述的酸性水溶液优选为浓度为5％～15％(v/v)的HNO3水溶液，优选为10％(v/v)的HNO3水溶液；所述的在酸性水溶液中浸泡的时间为0.5～2h；所述的烘干优选为在100～200℃烘干，优选为160℃烘干。一种由上述方法制备得到的铁氧化物负载的活性炭。由上述方法制得的铁氧化物负载的活性炭依然是黑色的固体颗粒，外观与普通的活性炭没有差异；其微观结构是活性炭发达的孔道中形成了纤维丝状铁氧化物结构。铁进入到活性炭表面的结构骨架中形成Fe-O-C键。该铁氧化物负载的活性炭具有更大的比表面积，有机污染物更充分地吸附在活性炭孔道内，附着生长的微生物胞外电子传递速率被加快。上述的铁氧化物负载的活性炭在抑制饮用水中及自来水管网出水中的消毒副产物和致病微生物中的应用。所述的消毒副产物可包括三卤甲烷和卤乙酸；所述的致病微生物包括嗜肺军团杆菌、鸟型分枝杆菌、福氏耐格里阿米巴虫等。本专利技术相对于现有技术，具有如下的优点及有益效果：(1)本专利技术的铁氧化物负载的活性炭对消毒副产物前驱体具有更高的去除率。(2)本专利技术的活性炭具有更优良的孔隙结构，比表面积大，孔道内形成纤维丝状结构，其活性组分极大暴露在活性炭表面，大大增加了有机物的吸附位点。(3)本专利技术的在使用过程中不会产生重金属污染。(4)本专利技术的活性炭表面的微生物代谢活性更高，生物膜结构更发达。(5)本专利技术的活性炭在生物降解有机污染物的过程中释放更少的微生物且生物膜规模尺度较小。(6)铁氧化物负载的活性炭出水具有更少的有机物以及消毒副产物前驱体，并且出水水体中悬浮态生物膜尺寸更小，更易于被消毒剂所灭活，这样的水体加氯消毒进入输配管网后，由于有机物、消毒副产物前驱体的匮乏以及生物膜尺寸的限制，消毒副产物生成和致病微生物再生长得以持续抑制。因此，本专利技术不止于降低出厂水中的消毒副产物和致病微生物，更是具有抑制后续自来水管网中消毒副产物生成和致病微生物再生长的作用。附图说明图1为实施例1中制备得到的Fe/CAC以及原料CAC的SEM图。图2为实施例1中制备的Fe/CAC以及原料CAC的N2吸附脱附等温线。图3为实施例1中制备的Fe/CAC以及原料CAC的XRD谱图。图4为实施例1中制备的Fe/CAC以及原料CAC的红外光谱图。图5为实施例1中制备的F本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铁氧化物负载的活性炭的合成方法，其特征在于包括以下步骤：将活性炭浸渍在铁源的水溶液中，超声处理，然后蒸干、焙烧，即得铁氧化物负载的活性炭。

【技术特征摘要】
1.一种铁氧化物负载的活性炭的合成方法，其特征在于包括以下步骤：将活性炭浸渍在铁源的水溶液中，超声处理，然后蒸干、焙烧，即得铁氧化物负载的活性炭。2.根据权利要求1所述的铁氧化物负载的活性炭的合成方法，其特征在于：所述的活性炭为椰壳活性炭、煤质活性炭、木质活性炭、竹质活性炭中的一种；所述的铁源为六水氯化铁和九水硝酸铁中的一种。3.根据权利要求1所述的铁氧化物负载的活性炭的合成方法，其特征在于：所述的活性炭为椰壳活性炭；所述的铁源为六水氯化铁。4.根据权利要求1或2所述的铁氧化物负载的活性炭的合成方法，其特征在于：所述的铁源水溶液的浓度为15～25g/L；所述的活性炭和铁源水溶液的用量满足：每1g的活性炭对应浸泡在(2～4)mL的铁源水溶液中。5.根据权利要求1或2所述的铁氧化物负载的活性炭的合成方法，其特征在于：所述的铁源水溶液的浓度为20g/L；所述的活性炭和铁源水溶液的用量满足：每1g的活性炭对应浸泡在3mL的铁源水溶液中。6.根据权利要求1或2所述的铁氧化物负载的活性炭的合成方法，其特征在于：所述的超声处理是指在300W功率超声处理0.5～1.5小时；所述的蒸干是指在75～...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡春，邢学辞，吕来，高耀文，
申请(专利权)人：广州大学，
类型：发明
国别省市：广东,44