一种纳米铁改性生物炭复合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纳米铁改性生物炭复合材料及其制备方法和应用，该制备方法包括：将生物质碳源经研磨后过筛，得到生物质碳粉；将生物质碳粉与铁剂按质量比1:0.3～1:3置于超纯水中进行混合，混合均匀后经过滤，并在70～100℃下干燥，得到前驱体；将前驱体置于管式炉中，在氮气保护气氛下，以5～10℃/min的速度升温，加热至500～800℃，然后热解0.5～3h，即得到纳米铁改性生物炭复合材料。该制备方法通过铁剂与生物质炭同步热解制备纳米铁改性生物炭复合材料，纳米铁能有效改变生物炭表面电性特征，增大生物炭比表面积和增加生物炭表面的活性官能团数量，从而提高对阴离子污染物质的去除效率，同时纳米铁颗粒负载在生物炭表面，能有效避免纳米铁在使用过程中发生团聚。能有效避免纳米铁在使用过程中发生团聚。能有效避免纳米铁在使用过程中发生团聚。

【技术实现步骤摘要】
一种纳米铁改性生物炭复合材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于污水处理
，特别涉及一种纳米铁改性生物炭复合材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]金属络合氰化物是贵金属冶炼、金属表面加工、制药、化工等行业产生的工业废水中常见的污染物。此外，含氰固体废物堆置或填埋过程中因雨水淋滤产生大量含氰渗滤液，从而对周边环境和人体产生危害。废水和渗滤液中的氰化物即使在浓度很低的情况下，也会对环境中的生物体产生较大的毒害效应，因此在排放到环境中之前必须进行有效去除。
[0003]为了抑制或尽量减少氰化物对周围环境和人体健康的负面影响，我国对环境介质中氰化物的浓度水平做出了严格规定。根据我国地表水环境质量标准(GB3838
‑
2002)，地表水(Ⅲ类)总氰化物浓度(CN
T
)限值为0.2mg/L；根据《污水综合排放标准》(GB 8978
‑
1996)，总氰化物一级排放标准和二级排放标准限值为0.5mg/L，三级排放标准限值为1.0mg/L；我国《化学合成类制药工业水污染物排放标准》(GB 21904
‑
2008)规定执行水污染物特别排放限制的地区，企业水污染排放不得检出总氰化物(总氰化物检出限为0.25mg/L)。为了满足上述环境标准要求，开发经济高效的氰化物去除技术十分必要。
[0004]目前针对废水中氰化物的处理技术方法主要包括氯碱法、臭氧法、过氧化氢法、生物降解法或是上述方法的组合工艺。这些处理技术方法的有效性很大程度上取决于废水中氰化物的赋存形态。一般来说，上述处理技术方法通常只能去除一些易降解的氰化物，难以有效降解和去除废水中的络合氰化物，如废水中常见的铁氰络合离子([Fe(CN)6]3‑
)、亚铁氰络合离子([Fe(CN)6]4‑
)、镍氰络合离子([Ni(CN)4]2‑
)等。
[0005]应用于去除废水中污染物的各种技术方法中，吸附法具有效率高、成本低、操作简单和环境友好等优点。生物炭(BC)是利用生物质材料在无氧或缺氧的高温条件下合成的碳基多孔材料，由于其具有较高的比表面积、稳定性和孔隙率，并具有丰富的表面官能团(如
‑
COOH，
‑
OH等)，被广泛用作有机和无机污染物的吸附材料。然而，对于无机阴离子，如PO
43
‑
、As(
Ⅵ
)、Sb(
Ⅴ
)等，由于静电排斥作用，生物炭对这些阴离子的吸附性能并不好。
[0006]纳米铁具有比表面积大、粒径小、还原性能强等优点，被广泛用于环境污染物的处理与修复。但由于其特殊的理化性质导致纳米铁在使用过程中容易出现团聚。同时，纳米铁易流失、难回收，容易造成二次污染，这就使纳米铁在水处理方面的应用存在限制，不适合单独使用。

技术实现思路

[0007]针对现有技术存在的上述不足，本专利技术的目的就在于提供一种纳米铁改性生物炭复合材料及其制备方法和应用，该制备方法通过铁剂与生物质材料同步热解制备得到纳米铁改性生物炭复合材料，纳米铁能有效改变生物炭表面电性特征，增大生物炭比表面积和增加生物炭表面的活性官能团数量，从而提高对阴离子污染物质的去除效率，同时纳米铁
颗粒负载在生物炭表面，能有效避免纳米铁在使用过程中发生团聚。
[0008]本专利技术的技术方案是这样实现的：
[0009]一种纳米铁改性生物炭复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0010](1)将生物质碳源经研磨后过筛，得到生物质碳粉；
[0011](2)将生物质碳粉与铁剂按质量比1:0.3～1:3置于水中进行混合，混合均匀后经过滤，并在70～100℃下干燥，得到前驱体；
[0012](3)将前驱体置于管式炉中，在氮气保护气氛下，以5～10℃/min的速度升温，加热至500～800℃，然后热解0.5～3h，即得到纳米铁改性生物炭复合材料。
[0013]进一步地，所述生物质碳源为玉米秸秆、小麦秸秆、稻草、稻壳或花生壳中的一种。
[0014]进一步地，所述生物质碳源为玉米秸秆。
[0015]进一步地，所述铁剂为六水合三氯化铁、硫酸铁或硝酸铁中的一种。
[0016]进一步地，生物质碳粉与铁剂按质量比为1：1.2～1：3。
[0017]进一步地，步骤(3)中，热解温度为600～700℃。
[0018]本专利技术还提供一种按前面所述的制备方法得到纳米铁改性生物炭复合材料。
[0019]一种纳米铁改性生物炭复合材料的应用，前面所述的一种纳米铁改性生物炭复合材料作为吸附材料在去除废水中氰化物的应用。
[0020]进一步地，所述氰化物为络合氰化物。
[0021]进一步地，废水中氰化物初始浓度为10～630mg/L，废水的pH值为3.5～7.5，吸附材料添加量为0.15～2g/L，吸附时间为2～24h。
[0022]与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：
[0023]1、本专利技术先将铁剂和生物质碳粉混合得到前驱体，再利用碳热法对前驱体进行热解制备纳米铁改性生物炭复合材料。在热解过程中，因铁剂的存在，会在生物炭表面形成四氧化三铁等含铁物质，这些含铁物质会使得复合材料表面带更多的正电荷，从而能有效改变生物炭表面的电性特征；同时，铁剂与生物质碳粉发生相互作用，其中三价铁被还原为二价或者零价铁，同时生物炭表面的一些炭结构被氧化为活性含氧官能团(如，
‑
OH、
‑
COOH、
‑
C＝O等)，使得生物炭表面负载更多的活性官能团，从而能提高复合材料对阴离子的亲和力和吸附能力。
[0024]同时，热解过程中，纳米铁颗粒负载在生物炭表面，与生物炭具有一定结合强度，从而不但可以解决纳米铁在使用过程中易团聚的问题，而且利于实现复合材料的分离和回收。
[0025]2、本专利技术通过控制铁剂与生物质碳粉的质量比，以及热解温度，使得纳米铁以四氧化三铁、三氧化二铁、单质铁、硅酸亚铁中的多种形态负载在生物炭表面。各种形态的纳米铁一方面能提供一定的活性位点，提高复合材料的吸附性能；另一方面，纳米铁的存在能有效改善生物炭材料荷电特性，削弱材料对阴离子型污染物的排斥力，从而提高复合材料的吸附能力。
[0026]3、本专利技术所述的纳米铁改性生物炭复合材料对铁氰络合离子和亚铁氰络合离子去除率可达99％以上，镍氰络合离子去除率可达80％以上，对铁氰络合离子、亚铁氰络合离子和镍氰络合离子的最大吸附量分别可达580.96mg/g、454.52mg/g和588.86mg/g。
附图说明
[0027]图1
‑
实施例1、实施例2和实施例3制备得到的复合材料的XRD图。
[0028]图2
‑
纯生物炭材料BC
‑
700和复合材料BC@Fe
‑2‑
700的SEM图。
[0029]图3
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种纳米铁改性生物炭复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将生物质碳源经研磨后过筛，得到生物质碳粉；(2)将生物质碳粉与铁剂按质量比1:0.3～1:3置于水中进行混合，混合均匀后经过滤，并在70～100℃下干燥，得到前驱体；(3)将前驱体置于管式炉中，在氮气保护气氛下，以5～10℃/min的速度升温，加热至500～800℃，然后热解0.5～3h，即得到纳米铁改性生物炭复合材料。2.根据权利要求1所述的一种纳米铁改性生物炭复合材料的制备方法，其特征在于，所述生物质碳源为玉米秸秆、小麦秸秆、稻草、稻壳或花生壳中的一种。3.根据权利要求2所述的一种纳米铁改性生物炭复合材料的制备方法，其特征在于，所述生物质碳源为玉米秸秆。4.根据权利要求1所述的一种纳米铁改性生物炭复合材料的制备方法，其特征在于，所述铁剂为六水合三氯化铁、硫酸铁或硝酸铁中的一种。5....

【专利技术属性】
技术研发人员：魏云梅，陈莲英，刘昕，位天帅，周虹励，李蕾，高俊敏，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：