一种有序介孔碳负载零价铁复合材料及其制备方法和用途技术

本发明专利技术公开了一种有序介孔碳负载零价铁复合材料及其制备方法和用途，用硼氢化钠还原三价铁离子为零价铁，进而负载在有序介孔碳上。以有序介孔碳为载体，将零价铁负载在表面，复合材料克服了零价铁易团聚和易氧化的问题，促进了零价铁的分散，提高了复合材料的反应活性。本发明专利技术制备方法制备的环境修复材料产率较高、生产步骤简便，且具有磁性，利于回收。本发明专利技术制得的有序介孔碳及有序介孔碳负载零价铁具有较大的比表面积和孔体积，性质稳定。针对水体中含Cr(

【技术实现步骤摘要】
一种有序介孔碳负载零价铁复合材料及其制备方法和用途


[0001]本专利技术属于环境修复材料
，具体涉及一种有序介孔碳负载零价铁复合材料及其制备方法和用途。

技术介绍

[0002]铬（Cr）和砷（As）是水体中典型的重金属，具有较强的毒性。铬（Cr）通常以六价（Cr（VI））和三价（Cr（III））的形式存在，砷（As）通常存在五价（As（
Ⅴ
））和三价（As（III））。所有Cr（VI）、Cr（III）、As（
Ⅴ
）和As（III）都对人类健康有害。因此，对于Cr和As污染水体的修复迫在眉睫，常见的去除Cr（VI）和As（
Ⅴ
）的技术有混凝，吸附，还原，膜技术和离子交换，而吸附技术使用最为广泛。
[0003]近年来，碳材料作为一种优良的载体材料，被广泛使用。传统的碳材料包括生物碳、碳纳米管、活性碳、石墨烯等。有序介孔碳是近年来发现的一种新型多孔材料，具有较大的孔容大、比表面积以及较好的化学/热稳定性。
[0004]零价铁作为一种新型环境修复材料被用于处理Cr（VI）和As（
Ⅴ
）污染水体，通过零价铁可以将Cr（VI）还原为Cr（III），并在零价铁表面沉淀，形成Cr（OH）3氢氧化物。与Cr（
Ⅵ
）不同，由于零价铁的氧化，As与铁氧化物(II)和铁(III)氧化物/氢氧化物结合。然而，零价铁的聚集和钝化降低了材料本身的电子传递能力，导致零价铁去除能力降低。有序介孔碳负载零价铁可以有效地减小零价铁的团聚，并且充分发挥介孔碳优异的吸附能力，两者相互协同，进一步促进零价铁与污染物的反应。
[0005]查阅现有关于有序介孔碳负载零价铁的专利技术或技术，通常为热解法。CN103301809A以硝酸铁为铁源，通过纳米共浇铸法将磁性纳米粒子负载在有序介孔碳上用于Cr（
Ⅵ
）的去除，但是这种方法并不能完全形成零价铁，不能充分发挥零价铁对Cr（
Ⅵ
）高效去除的能力；CN101580240公开了一种载铁有序介孔碳材料的制备方法，以铁盐前驱体水解产生的酸和酚醛缩聚产物在表面活性剂周围自组装，高温热解制得有序介孔碳负载零价铁复合材料。但其制作时间较长，操作过程繁琐，实用价值不高。
[0006]CN108479697A公开了一种负载零价铁的介孔碳材料及其制备方法和应用，通过淀粉和二氧化硅经热处理后碳化得到介孔碳材料，但其所得材料比表面积较小（最大为436.24m2/g）。
[0007]综上来看，现有有序介孔碳负载零价铁的制备普遍存在反应时间长、操作过程繁琐等问题。

技术实现思路

[0008]目的：为解决现有技术的不足，本专利技术提供一种有序介孔碳负载零价铁复合材料及其制备方法和用途，其作为环境修复材料用于环境中砷、铬污染物的去除。相比于其他碳材料，该复合材料具有规则的孔道结构，较大的比表面积及优异的电化学性能，有利于高效
去除污染物，具有广泛的应用前景。
[0009]零价铁作为一种新型的环境修复材料，其以单质铁为核心，铁氧化物为包层的独特结构使其具有较好的污染物去除能力，但其反应活性受零价铁粒径大小的影响，因此比表面积大，且结构规整的有序介孔碳作为一种良好的载体材料被用来负载零价铁，促进零价铁的分散。
[0010]鉴于常见的负载零价铁的方法，为了更好的促进零价铁的分散，本专利技术尝试用硼氢化钠还原三价铁离子为零价铁，进而负载在有序介孔碳上。
[0011]技术方案：为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：第一方面，提供一种有序介孔碳负载零价铁复合材料的制备方法，包括：步骤（1）、将介孔硅模板与蔗糖溶于硫酸溶液中，混合均匀，装入反应釜内并在烘箱内反应两次，制得预碳化产物；步骤（2）、将步骤（1）中制得的预碳化产物及蔗糖溶于硫酸溶液中，混合均匀，装入反应釜内并在烘箱内反应两次，制得碳/硅复合物；步骤（3）、在N2氛围下，将步骤（2）制得的碳/硅复合物在管式炉中以3~5℃* min
‑1的升温速率升温至800~900℃，并在800~900℃保温2 ~3h，制得热解材料；步骤（4）、将步骤（3）制得的热解材料用体积浓度为10%的HF溶液浸泡去除硅模板后，用去离子水洗涤至中性，干燥、研磨，得到有序介孔碳；步骤（5）、将铁盐与步骤（4）制得的有序介孔碳加入去离子水中，分散均匀（在Ar保护下超声分散，）获得铁盐分散液；步骤（6）、在Ar保护和超声的条件下，将还原剂滴入步骤（5）制得的铁盐分散液中，滴加完毕后继续超声反应，制得有序介孔碳负载零价铁；步骤（7）、利用磁铁分离出步骤（6）所得产物，经乙醇与去离子水混合液洗涤后真空干燥，得到有序介孔碳负载零价铁复合材料。
[0012]在一些实施例中，步骤（1）中硫酸溶液的浓度为0.29mol/L；步骤（2）中硫酸溶液的浓度为0.20mol/L。
[0013]在一些实施例中，步骤（1）中，介孔硅模板采用介孔二氧化硅SBA15。
[0014]在一些实施例中，步骤（5）中，所述铁盐采用硝酸铁、氯化铁、硝酸铁水合物、氯化铁水合物中的一种或几种。
[0015]在一些实施例中，步骤（1）、步骤（2）中，所述的烘箱内反应两次为先100~110℃热处理6~8h，然后160~170℃热处理6~8h。
[0016]在一些实施例中，步骤（6）中，所述的还原剂为硼氢化钠、硼氢化钾中的一种或几种；在一些实施例中，步骤（6）中，还原剂加入的量为还原剂中硼氢根与铁盐分散液中铁离子的摩尔比为4~7，优选为6。
[0017]本专利技术提供的一种有序介孔碳负载零价铁复合材料，由上述的方法制备得到。
[0018]本专利技术所述的有序介孔碳负载零价铁复合材料作为去除水体污染物的环境修复材料的应用。
[0019]进一步的，所述应用为用于水体中Cr(
Ⅵ
)、As(
Ⅴ
)污染物的去除。
[0020]在一些实施例中，所述的应用，将所述有序介孔碳负载零价铁复合材料投加到水
体中，经振荡、吸附即可；投加量为0.2~2.0g/L，优选为1.0g/L。,有益效果：本专利技术提供的一种有序介孔碳负载零价铁复合材料及其制备方法和用途，原材料易于获取、成本低，制备方法简便且对环境的负面影响小，同时该方法制备的材料对重金属铬的去除效果有优势且该材料稳定性好，便于回收利用。此外，该复合材料具有较好的电化学特性，相比于其他生物炭基材料，本专利技术所得复合材料电子传递能力强，有利于深入研究对重金属污染物的去除机理，更高效的去除污染物，也有利于尝试改性材料以优化其性能。具有以下优点：（1）本专利技术的材料制备工艺简单，原料基于自然资源，减少浪费，生产成本低，有利于规模化制备。
[0021]（2）采用天然赤铁矿作为铁源，原料易获取且纯度高。
[0022]（3）采用木屑作为生物质原料，充分利用农业废弃物，减少资源浪费。
[0023]（4）采用热解炭作为载体材料，是基于热解炭的比表面积大且具有较本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种有序介孔碳负载零价铁复合材料的制备方法，其特征在于，包括：步骤（1）、将介孔硅模板与蔗糖溶于硫酸溶液中，混合均匀，装入反应釜内并在烘箱内反应两次，制得预碳化产物；步骤（2）、将步骤（1）中制得的预碳化产物及蔗糖溶于硫酸溶液中，混合均匀，装入反应釜内并在烘箱内反应两次，制得碳/硅复合物；步骤（3）、在N2氛围下，将步骤（2）制得的碳/硅复合物在管式炉中以3~5℃* min
‑1的升温速率升温至800~900℃，并在800~900℃保温2 ~3h，制得热解材料；步骤（4）、将步骤（3）制得的热解材料用HF溶液浸泡去除硅模板后，用去离子水洗涤至中性，干燥、研磨，得到有序介孔碳；步骤（5）、将铁盐与步骤（4）制得的有序介孔碳加入去离子水中，分散均匀，获得铁盐分散液；步骤（6）、在Ar保护和超声的条件下，将还原剂滴入步骤（5）制得的铁盐分散液中，滴加完毕后继续超声反应，制得有序介孔碳负载零价铁；步骤（7）、利用磁铁分离出步骤（6）所得产物，经乙醇与去离子水混合液洗涤后真空干燥，得到有序介孔碳负载零价铁复合材料。2.根据权利要求1所述的有序介孔碳负载零价铁复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，介孔硅模板采用介孔二氧化硅SBA15。3.根据权利要求1所述的有序介孔碳负载零价铁复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中硫酸溶液的浓度为0.29mol/L；步骤（...

【专利技术属性】
技术研发人员：王圣森，张妮，刘丽，王小治，尹微琴，
申请(专利权)人：扬州大学，
类型：发明
国别省市：