CN103691389A - 一种海胆状铁/锰二元纳米除镉材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种海胆状铁/锰二元纳米除镉材料及其制备方法，属于环境材料技术领域。本发明在加热和pH调控下，将铁、锰溶液按一定配比混合，制备出具有高比表面积的海胆状铁/锰二元纳米氧化物。该海胆状铁/锰二元纳米氧化物能够选择性地吸附去除水中的重金属镉Cd(Ⅱ)，具有吸附动力学快，吸附容量高和pH适用范围广的优点。该新型除镉材料制备方法简单、成本低，在含镉水与废水的净化处理方面具有较好的应用前景。

Description

一种海胆状铁/锰二元纳米除镉材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种海胆状铁/锰二元纳米除镉材料及其制备方法，属于环境材料技术领域。

背景技术

镉易积存并损害肝、肾脏，对肾脏损害最为明显，还可导致骨质疏松和软化，严重威胁人体健康。随着科技的进步和工业的发展，许多行业（如冶炼、电镀、颜料、电池、采矿、核工业等）产生大量含有重金属镉的废水。未经适当处理的含镉废水排放，导致使镉污染事件频发。如，20世纪中叶发生在日本的痛痛病事件，起因是富士县神通川河水受到镉的污染，导致当地居民镉中毒，造成数百人死亡；2009年，湖南省浏阳市镇头镇双桥村镉污染事件，导致附近居民5人死亡，17.6%的人群尿镉超标；2012年，发生在广西省河池市龙江河段的镉污染事件，使得大量鱼类死亡，下游居民的饮用水安全也遭到严重威胁。因此，含镉水与废水的处理是当务之急，也是当前环境研究领域的难点之一。

目前，水环境中镉去除的主要方法有化学沉淀（如共沉淀、置换沉淀）、离子交换、溶剂萃取、膜分离以及吸附等方法。吸附法因其高效、低成本，是目前水体中镉去除的优选方法。吸附剂是吸附法的核心，因此，高效镉吸附剂的制备至关重要。现有吸附剂存在吸附容量低、选择性低或制备成本高等不足，如Bystrzejewski M. 等人（2009, Carbon）所制备的碳包覆磁性纳米微粒，其最大吸附容量只有1.77 mg/g （投加量为5.0 g/L，初始浓度C_i = 20 mg/L），Wang T. 等人（2013, Journal of Hazardous Materials）所制备的碳纳米管，则需要在130 ℃的条件下，加热72 h，能耗较大。铁氧化物以很多形式存在于自然界中，其价格低廉，分布广泛，对多种重金属具有较好的去除效果。纳米粒子由于其超高的比表面积，因此某些纳米材料对特定污染物具有高的吸附容量和快的吸附动力学。

本发明通过加热和pH调控，将铁盐溶液和锰盐溶液按特定比例混合，制备出具有较高比表面积的纳米级海胆状铁/锰二元氧化物，该氧化物可实现对水中二价镉Cd（Ⅱ）的高效吸附去除。该新型纳米吸附剂原材料来源广泛、价格低廉、制备方法简单、反应条件温和、环境友好，在水中镉的吸附去除方面具有较为广阔的应用前景。

发明内容

针对现有镉吸附剂的不足，本发明提供了一种具有吸附动力学快、吸附容量高、吸附pH适用范围广等优点的海胆状铁/锰二元纳米除镉材料及其制备方法。该发明是在加热和pH调控下，将铁溶液和锰溶液混合，制备出具有高比表面积的海胆状铁/锰二元纳米氧化物。其具体制备方法如下：

1)  将0.2-26.0 g铁盐和0.1-25.0 g锰盐分别溶解于0.2-20.0 L的去离子水中；然后，在强烈搅拌条件下，将铁溶液缓慢加入到锰溶液中，持续反应0.2-3.0 小时；

2)  在缓慢搅拌的条件下，将步骤1）所制溶液加热至沸腾，之后向溶液中缓慢加入碱，反应0.1-3.0 小时后停止加热和搅拌，冷却至室温；

3)  将上述步骤2）所制溶液的上清液倒去，用去离子水清洗数次，干燥备用。

本发明的原理及方法：本发明以铁盐溶液和锰盐溶液为原材料，通过加热和pH调控，制备出高比表面积的海胆状铁/锰二元纳米氧化物。本发明主要优点如下：

1)  本发明以铁盐和锰盐为原材料，仅需加热和酸碱调控，成本低，反应条件温和，环境友好；

2)  本发明材料制备简单，所制备材料比表面积大、沉淀速度快；

3)  本发明所制备的海胆状铁/锰二元纳米氧化物对镉具有吸附动力学快、吸附容量高、吸附适用pH范围广等优点。

附图说明

图1为实施例一条件下，海胆状铁/锰二元纳米氧化物扫描电子显微镜（SEM）图。

图2为实施例一条件下，海胆状铁/锰二元纳米氧化物的扫描电子显微镜能谱图（EDS）。

图3为实施例一条件下，海胆状铁/锰二元纳米氧化物对二价镉（Ⅱ）的吸附动力学图。

具体实施方式

下面结合实施案例对本发明作进一步阐述，本领域技术人员应当理解，所述实施例仅用于示例，而不对本发明构成任何限制。

实施例一：

1)  分别将12.6 g硫酸亚铁（FeSO₄·7H₂O）和1.2 g高锰酸钾（KMnO₄）各溶解于100 mL去离子水中，在搅拌条件下，将硫酸亚铁溶液缓慢加入到高锰酸钾溶液中，继续搅拌2.0小时，整个实验过程均在室温下进行；

2)  将步骤1）溶液在搅拌条件下加热至沸腾，之后向溶液中缓慢加入26 mL 5 M NaOH, 反应30分钟后停止加热和搅拌，冷却至室温；

3)  将步骤2）溶液上清液倒去，用去离子水清洗，待沉淀后，倒去上清液，循环数次，之后60 ℃烘箱干燥，备用；

4)  取步骤3）产物少量溶解分散于去离子水中，取少量混合溶液滴加硅片上，烘箱干燥48 小时，喷金40 秒，用扫面电子显微镜观察其微观形貌。

为了确定本发明的效果，发明人以实施例1 所制备的海胆状铁/锰二元纳米氧化物为例，通过下述具体的实验验证了其性能与效果，具体如下：

1)  配制浓度为50 mg/L的二价镉（Ⅱ）溶液，并调节溶液pH=6.0±0.02；

2)  取200 mL步骤1）中的镉溶液于250 mL锥形瓶中，并加入（0.1±0.0005）g海胆状铁/锰二元纳米氧化物，设置摇床转速为200转/分钟，吸附时间24小时，每次取样1.3 mL，样品用0.22 μm滤膜过滤，整个实验过程均在室温下进行；

3)  以质量分数为1 %硝酸（HNO₃）对步骤5）中样品进行稀释，原子吸收光谱（AAS）测定样品中二价镉（Ⅱ）的含量。

实验结果表明，在镉溶液初始浓度为50 mg/L，pH=6.0±0.02条件下，所制备的海胆状铁/锰二元纳米氧化物对二价镉（Ⅱ）的吸附平衡时间快，吸附1小时达到平衡，平衡吸附容量为58.8 mg/g。

Claims (3)

1.一种海胆状铁/锰二元纳米除镉材料及其制备方法，其特征在于在加热和pH调控下，将铁、锰溶液按一定配比混合，制备出具有高比表面积的海胆状铁/锰二元纳米氧化物。

2.按照权利要求1所述的一种海胆状铁/锰二元纳米除镉材料及其制备方法，其特征在于将所制备的高比表面积海胆状铁/锰二元纳米氧化物作为除镉材料，其除镉能力强。

3.按照权利要求1所述的一种海胆状铁/锰二元纳米除镉材料及其制备方法，其特征在于制备方法为：

1) 将0.2-26.0 g铁盐和0.1-25.0 g锰盐分别溶解于0.2-20.0 L的去离子水中；然后，在强烈搅拌条件下，将铁溶液缓慢加入到锰溶液中，持续反应0.2-3.0 小时；

2) 在缓慢搅拌的条件下，将步骤1）所制溶液加热至沸腾，之后向溶液中缓慢加入碱，反应0.1-3.0 小时后停止加热和搅拌，冷却至室温；

3) 将上述步骤2) 所制溶液的上清液倒去，用去离子水清洗数次，干燥备用。

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