一種羥基氧化鐵/膨脹石墨復(fù)合材料的制備方法及其應(yīng)用
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種羥基氧化鐵/膨脹石墨復(fù)合材料的制備方法及其應(yīng)用領(lǐng)域；其特征在于本發(fā)明以膨脹石墨作為載體材料，在酸性環(huán)境下與羥基氧化鐵進(jìn)行表面接枝，均勻的負(fù)載在膨脹石墨表面。由于該材料中羥基氧化鐵粒子直徑為亞微米級(jí)，介于納米材料和一般材料之間，既兼?zhèn)浼{米材料大表面積、多吸附位點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)，又克服了一般納米材料造價(jià)昂貴、易對(duì)環(huán)境造成二次污染的缺點(diǎn)，對(duì)砷具有很好的吸附能力。因此，將其負(fù)載在膨脹石墨表面，能在發(fā)揮自身優(yōu)良性能的同時(shí)又能與膨脹石墨產(chǎn)生協(xié)同作用，大大提高對(duì)環(huán)境中砷的修復(fù)能力，可以廣泛應(yīng)用于水體中砷污染的處理。
【專利說(shuō)明】
一種羥基氧化鐵/膨脹石墨復(fù)合材料的制備方法及其應(yīng)用
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種羥基氧化鐵/膨脹石墨復(fù)合材料的制備及其應(yīng)用領(lǐng)域，特別涉及 用于水體中砷污染處理的羥基氧化鐵/膨脹石墨復(fù)合材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著近代工農(nóng)業(yè)進(jìn)程的加快，重金屬特別是砷的肆意排放造成的水污染不斷侵蝕 著生態(tài)環(huán)境及人類的健康，引起了社會(huì)上的廣泛關(guān)注。近年來(lái)，我國(guó)關(guān)于砷污染的事件屢見(jiàn) 不鮮，如內(nèi)蒙古河套地區(qū)地下水砷超標(biāo)致使30萬(wàn)人受砷中毒的威脅，患病人數(shù)超過(guò)2000人。 研究發(fā)現(xiàn)，進(jìn)入環(huán)境的部分有機(jī)污染物可以通過(guò)自然界本身化學(xué)、生物或者物理作用進(jìn)行 降解，但是包括砷在內(nèi)的重金屬具有富集性，不易降解，對(duì)人體具有巨大的潛在威脅。有研 究報(bào)告稱，砷是一種獨(dú)特的致癌物，也是目前唯一一種有充足證據(jù)證明被吸入和攝取后有 致癌風(fēng)險(xiǎn)的致癌物。因此，我國(guó)水體中的砷污染問(wèn)題亟待解決。
[0003] 目前常用的砷污染的處理方法眾多，如氧化法、共同沉淀法、材料吸附法、離子交 換法和膜技術(shù)，相比而言，材料吸附法得益于材料自身快速、高效的吸附性能，而且能循環(huán) 利用，不產(chǎn)生二次污染，被廣泛應(yīng)用于砷污染處理。有研究證明鐵氧化物(赤鐵礦(a_Fe 203)、 磁赤鐵礦（y -Fe203)、針鐵礦(a-FeOOH)等)具有較低的砷浸出率，是吸附砷的首選材料;膨 脹石墨作為一種新型多孔材料，對(duì)重金屬具有良好的吸附作用，并且含有大量非極性官能 團(tuán)，可以作為大部分吸附劑的支撐材料，因此，如何將鐵氧化物與膨脹石墨的環(huán)境作用結(jié) 合，制備出羥基氧化鐵/膨脹石墨復(fù)合材料，從而提升水體中砷污染物的修復(fù)效果，具有重 要的實(shí)踐意義。
[0004] 本發(fā)明羥基氧化鐵/膨脹石墨復(fù)合材料的制備方法，主要是將制備的亞微米級(jí)羥 基氧化鐵負(fù)載到膨脹是石墨表面，以此得到高效、環(huán)保的砷污染修復(fù)材料。由于羥基氧化 鐵粒子直徑介于納米材料和一般材料之間，既兼?zhèn)浼{米材料大表面積、多吸附位點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)， 又克服了一般納米材料造價(jià)昂貴、易對(duì)環(huán)境造成二次污染的缺點(diǎn)，對(duì)砷具有很好的吸附能 力。因此，將其負(fù)載在膨脹石墨表面，能夠充分發(fā)揮膨脹石墨與羥基氧化鐵的協(xié)同作用，大 大提高對(duì)環(huán)境中砷的修復(fù)能力，可以廣泛應(yīng)用于水體中砷污染的處理。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明旨在提供一種用于水體中砷處理的羥基氧化鐵/膨脹石墨復(fù)合材料及其制 備方法，解決現(xiàn)有技術(shù)存在的不足。
[0006] 所述羥基氧化鐵/膨脹石墨復(fù)合材料的制備方法包括以下步驟：
[0007] a.氧化石墨分散液的制備:稱取過(guò)32目標(biāo)準(zhǔn)篩的天然鱗片石墨10.0~50.0g，與研 磨至粉末狀的高錳酸鉀1. 〇~5.0g混合均勻；取14.0~70.0g濃硝酸、6.0~30.0g濃磷酸均 勻混合后，在攪拌條件下，將混合酸緩慢加入到石墨與高錳酸鉀混合物中，繼續(xù)攪拌60~ lOOrnin完成氧化處理;將氧化處理后的石墨進(jìn)行洗滌過(guò)濾并調(diào)整pH值至4以上。將上述氧化 石墨浸沒(méi)于超純水溶液中，置于超聲振蕩儀中進(jìn)行超聲剝離20~60min，得到氧化石墨分散 液。
[0008] b.羥基氧化鐵溶液的制備:將6.8mL濃硫酸滴加至500.0 mL濃度為0.1~6. Omol/L 的FeSCk溶液中，在溫度為40~50°C的搖床中混合均勻后加入lmol/L的H2〇 2溶液50.0~ 100.0 mL，升溫至55~70°C并保持15~30min，將Fe2+氧化完全;取少量上述溶液體系與氫氧 化鈉溶液反應(yīng)，當(dāng)無(wú)黑色沉淀生成時(shí)，將上述溶液體系升溫至90°C，恒溫反應(yīng)2~3h，使過(guò)量 的H 2〇2分解完全;隨后在強(qiáng)烈攪拌下，緩慢滴加(滴加速度約為5~7mL/min)濃度約為5%~ 8%的氨水，當(dāng)pH升至7.2~7.4時(shí)，停止滴加氨水，此時(shí)得到棕紅色膠狀氫氧化鐵;將氫氧化 鐵膠體溶液加水稀釋1倍并量取100. 〇~500.0 mL，攪拌升溫至85~95°C，直到漿液pH降低至 3.5~4.0;加入陰離子表面活性劑CTAB0.2~1.0g，漿化一段時(shí)間后將其過(guò)濾、洗滌并干燥， 研磨得到超細(xì)羥基氧化鐵;取適量羥基氧化鐵粉末和超純水混合，置于超聲波振蕩儀中分 散均勻。
[0009] C.羥基氧化鐵/膨脹石墨復(fù)合材料的制備:將預(yù)處理完畢的氧化石墨分散液和羥 基氧化鐵分散液按一定的質(zhì)量比混合均勻，置于超聲振蕩儀中混合反應(yīng)8h，用去離子水洗 滌多次，過(guò)濾，烘干后置于溫度為600~700°C的電爐上進(jìn)行膨脹，10~20s后即獲得羥基氧 化鐵/膨脹石墨復(fù)合材料。
[0010] 本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0011] 1、本發(fā)明將膨脹石墨與羥基氧化鐵的環(huán)境作用結(jié)合，充分發(fā)揮膨脹石墨與羥基氧 化鐵的協(xié)同作用，提高了修復(fù)效率，增強(qiáng)了它在砷污染治理方面的應(yīng)用潛力。
[0012] 2、本發(fā)明制備出的羥基氧化鐵粒子直徑能夠達(dá)到亞微米級(jí)，且均勻負(fù)載在膨脹石 墨表面和孔隙中，使整個(gè)復(fù)合材料具有超大的相對(duì)表面積和大量的吸附位點(diǎn)，很好的提高 了對(duì)環(huán)境中砷的修復(fù)效果。
[0013] 3、本發(fā)明中制備羥基氧化鐵的方法簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)且不具有二次污染;該復(fù)合材料制備 方法易操控，成本低，適合應(yīng)用于工業(yè)大規(guī)模的生產(chǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0014] 圖1為本發(fā)明羥基氧化鐵/膨脹石墨復(fù)合材料圖。
[0015] 圖2為本發(fā)明羥基氧化鐵/膨脹石墨復(fù)合材料掃描電鏡圖。
[0016] 圖3為本發(fā)明羥基氧化鐵/膨脹石墨復(fù)合材料對(duì)砷的去除曲線圖。
[0017] 具體實(shí)施案例
[0018] 以下具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容進(jìn)行了進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，僅為本發(fā)明的具體實(shí) 施例，并不用于限制本發(fā)明。
[0019] 實(shí)施例1:
[0020] -種羥基氧化鐵/膨脹石墨復(fù)合材料及其制備方法，該材料將亞微米級(jí)羥基氧化 鐵負(fù)載到膨脹是石墨表面，以此得到高效、環(huán)保的砷污染修復(fù)材料，其具體制備步驟如下： [0021 ] a.氧化石墨分散液的制備:稱取過(guò)32目標(biāo)準(zhǔn)篩的天然鱗片石墨10.0g，與研磨至粉 末狀的高錳酸鉀1. 〇g混合均勻;取14.0g濃硝酸、6.0g濃磷酸均勻混合后，在攪拌條件下，將 混合酸緩慢加入到石墨與高錳酸鉀混合物中，繼續(xù)攪拌75min完成氧化處理;將氧化處理后 的石墨進(jìn)行洗滌過(guò)濾并調(diào)整pH值至4以上。將上述氧化石墨浸沒(méi)于超純水溶液中，置于超聲 振蕩儀中進(jìn)行超聲剝離30min，得到氧化石墨分散液。
[0022] b .羥基氧化鐵溶液的制備：將6.8mL濃硫酸滴加至500 . OmL濃度為1. Omol/L的 FeSCk溶液中，在溫度為50 °C的搖床中混合均勻后加入lmo 1 /L的H2〇2溶液100mL，升溫至55 °C 并保持30min，將Fe2+氧化完全;取少量上述溶液體系與氫氧化鈉溶液反應(yīng)，當(dāng)無(wú)黑色沉淀生 成時(shí)，將上述溶液體系升溫至90°C，恒溫反應(yīng)2h，使過(guò)量的H 2〇2分解完全；隨后在強(qiáng)烈攪拌 下，緩慢滴加(滴加速度約為7mL/min)濃度約為5 %的氨水，當(dāng)pH升至7.4時(shí)，停止滴加氨水， 此時(shí)得到棕紅色膠狀氫氧化鐵;將氫氧化鐵膠體溶液加水稀釋1倍并量取300mL，攪拌升溫 至85°C，直到漿液pH降低至4.0;加入陰離子表面活性劑CTAB 0.35g，漿化一段時(shí)間后將其 過(guò)濾、洗滌并干燥，研磨得到超細(xì)羥基氧化鐵;取適量羥基氧化鐵粉末和超純水混合，置于 超聲波振蕩儀中分散均勾。
[0023] c .羥基氧化鐵/膨脹石墨復(fù)合材料的制備:將預(yù)處理完畢的氧化石墨分散液和羥 基氧化鐵分散液按一定的質(zhì)量比混合均勻，置于超聲振蕩儀中混合反應(yīng)8h，用去離子水洗 滌多次，過(guò)濾，烘干后置于溫度為700°C的電爐上進(jìn)行膨脹，20s后即獲得羥基氧化鐵/膨脹 石墨復(fù)合材料。
[0024] 實(shí)施例2:
[0025]將本發(fā)明制備的羥基氧化鐵/膨脹石墨復(fù)合材料進(jìn)行砷的去除率檢測(cè)。取0.8g所 述材料加入到50ml模擬砷濃度(通過(guò)砷標(biāo)準(zhǔn)溶液配制）為2mg/L的廢水中，pH = 4,分三組平 行試驗(yàn)，將其放入30°C的磁力攪拌器中進(jìn)行反應(yīng)，每隔一段時(shí)間取樣測(cè)量水體中砷濃度， 得到所述材料的砷去除曲線。從圖3中可看出：本發(fā)明制備的所述材料對(duì)砷有很好的去除效 果，40min時(shí)即可實(shí)現(xiàn)90%的去除率。
[0026] 實(shí)施例3:
[0027] 將本發(fā)明制備的含羥基氧化鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同的羥基氧化鐵/膨脹石墨材料用于吸 附砷。取5份質(zhì)量為0.5g的羥基氧化鐵，質(zhì)量百分比腦?墨)分別為0、5%、10%、 20 %和55 %，加入到50ml模擬砷濃度(通過(guò)砷標(biāo)準(zhǔn)溶液配制)為2mg/L的廢水中，pH=4，將其 放入30°C恒溫振蕩器中進(jìn)行反應(yīng)，lh后取出測(cè)量水體中砷濃度，得到下列羥基氧化鐵/膨脹 石墨復(fù)合材料中不同羥基氧化鐵負(fù)載比例對(duì)砷的去除影響表。從表1中可以看出：本隨著羥 基氧化鐵含量的升高，復(fù)合材料對(duì)砷的吸附效果顯著增強(qiáng)，當(dāng)羥基氧化鐵的質(zhì)量百分比達(dá) 到55 %時(shí)，砷的去除率達(dá)到70 %以上。
[0028] 表1.不同羥基氧化鐵負(fù)載比例對(duì)砷的去除影響
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種羥基氧化鐵/膨脹石墨復(fù)合材料的制備方法，特征在于，所述制備方法包括以下 步驟： 1) 氧化石墨分散液的制備 2) 羥基氧化鐵溶液的制備 3) 羥基氧化鐵/膨脹石墨復(fù)合材料的制備。2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟2)氧化過(guò)程中加入125~250mL的 lmo 1 /L 的 H2O2 溶液。3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟2)生成氫氧化鐵膠體的過(guò)程中緩慢滴 加濃度約為5%~8%的氨水，滴加速度約為7mL/min。4. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟2)加熱脫水形成的羥基氧化鐵中加入 陰離子表面活性劑CTAB 0.7~3.5g，縮小粒子的直徑。5. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟3)用直接混合法混合羥基氧化鐵和氧 化石墨分散液，超聲擊碎，混合反應(yīng)8h。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法得到的羥基氧化鐵/膨脹石墨復(fù)合材料，其特征在于 能在膨脹石墨表面及孔隙中負(fù)載一層均勻的亞微米級(jí)羥基氧化鐵，充分發(fā)揮膨脹石墨與羥 基氧化鐵的協(xié)同作用，提高了修復(fù)效率，增強(qiáng)了其在水體重金屬污染尤其是砷污染處理方 面應(yīng)用。
【文檔編號(hào)】B01J20/20GK106000365SQ201610324434
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年5月17日
【發(fā)明人】林愛(ài)軍, 徐從斌, 焦春磊, 鄒德勛, 徐培發(fā)
【申請(qǐng)人】北京化工大學(xué)