CN105174414B - 一种FeS/Fe0复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于化学材料领域，具体涉及一种FeS/Fe⁰复合材料及其制备方法和应用。所述FeS/Fe⁰复合材料是由纳米FeS和纳米Fe⁰复合而成，所述纳米FeS包覆在纳米Fe⁰表面，所述纳米Fe⁰和纳米FeS的摩尔比为2:1～15:1。本发明提供了一种制备过程简便，环保可行且制备得到的FeS/Fe⁰复合材料反应活性高，可以在较宽的温度范围、pH值范围和溶解氧含量范围内，高效快速的还原吸附废水中的重金属离子；还可以快速高效活化过氧化氢和过硫酸盐，使体系产生羟基自由基和硫酸根自由基降解和矿化有机污染物，因此可以广泛应用于地表水和地下水中有机污染物的降解。

Description

一种FeS/Fe0复合材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于化学材料领域，具体涉及一种FeS/Fe⁰复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

工业和农业的快速发展导致了严重的水环境污染问题，可利用水资源的逐步减少严重影响到人们的生活和生产用水，制约国家经济和社会的可持续发展。环境水污染中的重金属和难降解有机污染物更是水污染治理的难点和重点。因此，探索高效廉价的环保材料(既可以去除废水中的重金属离子，同时也可以去除难降解有机物)是环境污染治理技术领域的重要课题。零价铁是一种铁源还原剂，纳米零价铁具有较高的反应活性，可去除多种重金属离子，也可以作为铁源活化氧化剂降解有机污染物。纳米零价铁的应用具有操作简便、易于控制、无二次污染等优点，具有广阔的应用前景。但是，纳米零价铁容易聚集成团，易于被空气或水氧化，使其表面形成一层氧化膜导致钝化，降低了反应活性。为了提高纳米零价铁的活性和团聚现象，需要对纳米零价铁进行一定的改性，比如通过引入钯、镍、铜合成双金属纳米零价铁，将纳米零价铁负载在膨润土等载体上合成负载型纳米零价铁。此外，合成纳米零价铁和其他化合物的复合材料，例如合成纳米零价铁和纳米四氧化三铁的复合材料，也是最近几年不断探索的一种新型改性方法。

纳米FeS颗粒微小，活性位点高，用FeS处理含重金属的废水，Fe²⁺具有还原性，本身被氧化为Fe³⁺；硫离子又能与许多重金属离子生成沉淀，在Fe³⁺的混凝作用下快速沉降，从水中去除。另外FeS与Fe⁰之间存在的氧化还原电位差可以促进Fe⁰的电子向外转移。韩国学者Eun-Ju Kim合成了一种硫掺杂的纳米零价铁，具体方法是将一定保险粉(即连二亚硫酸钠)溶解在硼氢化钠溶液中，然后将保险粉和硼氢化钠混合溶液逐滴加入FeCl₃的溶液中，从而制备出硫掺杂的纳米零价铁。然而，这种方法在合成过程中会产生大量的硫化氢气体，造成大气污染。国内关于FeS包裹纳米零价铁的技术专利仅有(复合型纳米零价铁颗粒.中国发明专利，CN201510176103.8)，该专利报道了一种FeS包裹纳米Fe⁰的制备方法，具体方法是在铁盐溶液中，加入单质硫和硫的促溶剂乙醇，然后滴加还原剂硼氢化钠，将铁离子还原成零价铁的同时将单质硫还原成了S^2-，使得S^2-与铁表面的氧化物结合成FeS，重复这些过程从而制备出多层结构的复合纳米零价铁颗粒。该专利中采用置换法合成多层结构的颗粒，操作较为复杂，制备时间长且合成过程中易造成原料的浪费和恶臭气体的产生。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种FeS/Fe⁰复合材料，该FeS/Fe⁰复合材料具有比纳米零价铁更高的反应活性。

本发明的另一个目的在于提供FeS/Fe⁰复合材料的制备方法。

本发明的又一个目的在于提供FeS/Fe⁰复合材料在环境污染治理中的应用。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种FeS/Fe⁰复合材料，由纳米FeS和纳米Fe⁰复合而成，所述纳米FeS包覆在纳米Fe⁰表面，所述纳米Fe⁰和纳米FeS的摩尔比为2:1～15:1。

更为优选地，所述纳米Fe⁰和纳米FeS的摩尔比为9:1。

上述FeS/Fe⁰复合材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将铁盐和强还原剂分别溶于无氧水得到铁盐溶液和强还原剂溶液，在N₂环境保护下，将强还原剂溶液逐滴加入到铁盐溶液，机械搅拌，生成黑色的纳米零价铁颗粒；

(2)磁分离溶液中的纳米零价铁颗粒，用无氧水和无水乙醇分别洗涤后；再倒入一定量的无氧水，使纳米零价铁均匀的分散在无氧水中得到纳米零价铁悬浊液；

(3)将亚铁盐溶解于无氧水中，然后倒入纳米零价铁悬浊液，混合均匀，在N₂环境下持续搅拌，得到含Fe²⁺的纳米零价铁悬浊液；

(4)将Na₂S或K₂S溶解于无氧水，然后将Na₂S溶液或K₂S溶液逐滴加入到含Fe²⁺的纳米零价铁悬浊液中，在N₂环境下持续搅拌，充分反应；

(5)磁力分离出生成的黑色沉淀，用无氧水和无水乙醇分别洗涤后，真空干燥得到FeS/Fe⁰复合材料。

上述方案中，步骤(1)所述铁盐为亚铁盐或三价铁盐。上述方案中，所述亚铁盐为硫酸亚铁、氯化亚铁或硝酸亚铁；所述三价铁盐为硫酸铁、氯化铁或硝酸铁。

上述方案中，所述强还原剂为硼氢化钠和/或硼氢化钾。

上述方案中，所述铁盐和强还原剂硼氢化物的摩尔比为1:2～1:3。

上述方案中，步骤(3)所述亚铁盐为硫酸亚铁、氯化亚铁或硝酸亚铁，所述纳米零价铁和Fe²⁺的摩尔比为2:1～15:1；更为优选地，所述纳米零价铁和Fe²⁺的摩尔比为9:1。

上述方案中，步骤(4)所述Na₂S或K₂S的物质的量与步骤(3)所述亚铁盐的物质的量相同，即Fe²⁺与S^2-的摩尔比为1:1。

上述方案中，步骤(5)所述真空干燥的温度为50℃～70℃。

上述FeS/Fe⁰复合材料在环境污染治理中的应用。

上述方案中，所述FeS/Fe⁰复合材料在还原吸附废水中重金属离子中的应用。

上述方案中，所述FeS/Fe⁰复合材料在活化过氧化氢或过硫酸盐降解和矿化有机污染物方面的应用。

本发明提供的FeS/Fe⁰复合材料与过氧化氢组成类Fenton高级氧化体系，在室温、pH＝2～5、无需额外光照和能量的情况下，过氧化氢被活化分解产生具有强氧化能力的羟基自由基，从而可以快速高效的降解水中各类有机污染物；本发明提供的FeS/Fe⁰复合材料与过硫酸盐组成高级氧化体系，在室温、pH＝2～10、无需额外光照和能量的情况下，过硫酸盐被活化分解产生具有强氧化能力的硫酸根自由基，从而可以快速高效的降解水中各类有机污染物。

本发明的有益效果如下：本发明针对目前纳米零价铁在去除重金属废水时存在活性不高，团聚严重，同时目前的改性方法成本较高且易造成二次污染的问题，提出一种制备过程简便，环保可行且制备得到的FeS/Fe⁰复合材料反应活性高，可以在较宽的温度范围、pH值范围和溶解氧含量范围内，高效快速的还原吸附废水中的重金属离子；还可以快速高效活化过氧化氢和过硫酸盐，使体系产生羟基自由基和硫酸根自由基降解和矿化有机污染物，因此可以广泛应用于地表水和地下水中有机污染物的降解。

附图说明

图1为本发明制备的FeS/Fe⁰复合材料的X-射线衍射图谱。

图2为本发明制备的FeS/Fe⁰复合材料的扫描电镜图。

图3为本发明制备的FeS/Fe⁰不同比例的FeS/Fe⁰复合材料处理Cr⁶⁺效果图。

图4为本发明制备的FeS/Fe⁰复合材料与纳米Fe0处理Cr⁶⁺效果对比图。

图5为本发明制备的FeS/Fe⁰复合材料处理不同重金属离子效果图。

图6为本发明制备的FeS/Fe⁰复合材料在不同pH值条件下处理Cr⁶⁺的去除率图。

图7为本发明制备的FeS/Fe⁰复合材料活化Na₂S₂O₈降解2,4-DCP效果图。

图8为本发明制备的FeS/Fe⁰复合材料活化H₂O₂降解2,4-DCP效果图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

一种FeS/Fe⁰复合材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)称取0.018mol的FeSO₄·7H₂O(铁盐)和0.036mol的NaBH₄(强还原剂)，分别溶解于无氧水中得到NaBH₄溶液和FeSO₄溶液，在N₂密闭环境保护下，将NaBH₄溶液逐滴加入到FeSO₄溶液，机械搅拌，充分反应20min，生成黑色的纳米零价铁颗粒；

(2)磁分离溶液中的纳米零价铁颗粒，用无氧水和无水乙醇分别洗涤三次后，将纳米零价铁均匀的分散在100mL无氧水中得到纳米零价铁悬浊液；

(3)分别称取0.002M的FeSO₄·7H₂O(亚铁盐)与Na₂S，同样以1:1的体积比分别溶解于无氧水中得到FeSO₄溶液和Na₂S溶液，将FeSO₄溶液倒入纳米零价铁悬浊液中，在N₂环境下持续搅拌，然后逐滴加入Na₂S溶液，充分反应20min；

(4)磁力分离出生成的黑色沉淀，用无氧水和无水乙醇分别洗涤后，放入真空干燥箱中60摄氏度烘干，即得FeS/Fe⁰复合材料。

本实施例制备得到的FeS/Fe⁰复合材料中FeS和Fe⁰的摩尔比为1:9。

实施例2

本实施例制备FeS/Fe⁰复合材料的方法大致与实施例1相同，不同之处在于：(1)选取 硫酸铁作为步骤(1)所述铁盐；选取硼氢化钾作为步骤(1)所述强还原剂；选取氯化亚铁作为步骤(3)所述亚铁盐；选用K₂S替代步骤(3)所述Na₂S；(2)所述硫酸铁与硼氢化钾的摩尔量比为1:3；所述氯化亚铁与K₂S的摩尔质量比为1:1；步骤(1)所述铁盐与步骤(3)所述亚铁盐的摩尔量比为3:1。

本实施例制备得到的FeS/Fe⁰复合材料中FeS和Fe⁰的摩尔比为1:3。

实施例3

本实施例制备FeS/Fe⁰复合材料的方法大致与实施例1相同，不同之处在于：(1)选取硝酸亚铁作为步骤(1)所述铁盐；选取硼氢化钾和硼氢化钠按1:1的组合作为步骤(1)所述强还原剂；选取硝酸亚铁作为步骤(3)所述亚铁盐；(2)所述硝酸亚铁与强还原剂的摩尔量比为1:2；所述硝酸亚铁与Na₂S的摩尔质量比为1:1；步骤(1)所述铁盐与步骤(3)所述亚铁盐的摩尔量比为5:1。

本实施例制备得到的FeS/Fe⁰复合材料中FeS和Fe⁰的摩尔比为1:5。

实施例4

本实施例制备FeS/Fe⁰复合材料的方法大致与实施例1相同，不同之处在于：所述硫酸亚铁与硼氢化钠的摩尔量比为1:3；所述硫酸亚铁与Na₂S的摩尔质量比为1:1；步骤(1)所述铁盐与步骤(3)所述亚铁盐的摩尔量比为15:1。

本实施例制备得到的FeS/Fe⁰复合材料中FeS和Fe⁰的摩尔比为1:15。

实施例1～4制备得到的FeS/Fe⁰复合材料的X-射线衍射图谱见图1，选取少量本发明的FeS/Fe⁰复合材料，经X-射线衍射分析测定，基线相对于峰形不平，表明该晶体的结晶度不是很高；特征峰43.3⁰是Fe⁰，33.7⁰是FeS，从相对强度可以看出零价铁的含量略多；随着硼氢化钠滴加速率的加快，本发明材料晶体的大小也随之增加。实施例1～4制备得到的FeS/Fe⁰复合材料的扫描电镜图见图2，图2说明了，在微观纳米尺寸下，粒子形状近乎球形，直径在5微米以下，很明显，纳米零价铁的粒径比纳米FeS的粒径要大很多，并且图像表明纳米FeS包裹在纳米零价铁的周围。采用实施例1～4制备得到的FeS与Fe⁰不同摩尔比的FeS/Fe⁰复合材料处理污水中重金属Cr⁶⁺，比较它们的处理效果。

污水中重金属Cr⁶⁺的具体处理过程为：重金属Cr⁶⁺的模拟水样是200mL的无氧水溶液中Cr⁶⁺的初始浓度为20mg/L，反应在250mL的四角烧瓶中，未调pH值，不断通入N₂，电机不停搅拌，称取0.1g的实施例1～4制备得到的FeS/Fe⁰复合材料，迅速加入溶液中，使得溶液中的Cr⁶⁺与FeS/Fe⁰复合材料反应，在固定的反应时间，0、1、3、6、10、20、30、60min，分别取样2mL，立即经0.45μm水系滤膜过滤，取其中的1mL用二苯碳酰二肼法显色5-15min，利用紫外分光光度计在波长540nm处测剩余的Cr⁶⁺浓度，计算Cr⁶⁺的去除率，处理效果如图3。

从图3中可以看出，FeS/Fe⁰复合材料对重金属Cr⁶⁺的去除效率高，比例在1：(3-15)的FeS/Fe⁰复合材料基本上30min就可以把重金属Cr⁶⁺去除80％以上，而且FeS和Fe⁰的摩尔比为1:9的FeS/Fe⁰复合材料的去除效果最好，10min左右就能去除干净。

本发明还比较了FeS/Fe⁰复合材料与纳米Fe⁰处理污水中重金属Cr⁶⁺的处理效果，称取0.1g的纳米Fe⁰和0.1g实施例1制备得到的FeS/Fe⁰复合材料处理污水中重金属Cr⁶⁺，具体的处理过程同上。处理效果如图4。从图4中可以看出，FeS/Fe⁰复合材料处理重金属Cr⁶⁺的效果明显比纳米零价铁好。

本发明以实施例1制备得到的FeS/Fe⁰复合材料为例，比较了FeS/Fe⁰复合材料对不同重金属离子的处理效果，处理的重金属离子有Cr⁶⁺、Pb²⁺、Hg²⁺，重金属离子的初始浓度为30mg/L，具体的处理过程同上，处理的效果图见图5。从图5中可以看出，FeS/Fe⁰复合材料在水环境条件下，对不同的重金属离子都有很好的去除效果，特别是对Hg²⁺、Pb²⁺这样的低价态阳离子，去除效率非常快，因而，可以判断本发明所制备的FeS/Fe⁰复合材料在处理重金属领域有非常可观的前景。

本发明以实施例1制备得到的FeS/Fe⁰复合材料为例，比较了FeS/Fe⁰复合材料对不同pH值重金属废水的处理效果。重金属废水的初始pH值有3、5、7、9、11，具体的处理过程同上，处理的效果图见图6。从图6中可以看出，在不同初始pH值条件下，无论是酸性、中性还是碱性，本发明制备得到的FeS/Fe⁰复合材料处理重金属都有很好的效果，并且在酸性水环境条件下，它的处理效果更好。

实施例5

以实施例1制备得到的FeS/Fe⁰复合材料为例，研究了本发明所述FeS/Fe⁰复合材料在活化过氧化氢或过硫酸盐产生羟基自由基或硫酸根自由基降解和矿化有机污染物方面的应用。

(1)FeS/Fe⁰复合材料活化过硫酸盐处理废水有机污染物的应用

向有机废水中加入过二硫酸盐和FeS/Fe⁰复合材料。其中，过二硫酸盐和FeS/Fe⁰复合材料可以同时加入，也可以先后加入。具体地，所述过二硫酸盐可以为过二硫酸钠、过二硫酸钾或者过二硫酸氨，所述过二硫酸盐和有机污染物的摩尔比值可以根据所需的反应速度确定，具体可以设置在10:1～100:1之间。另外，所述FeS/Fe⁰复合材料在有机废水中的浓度可以为0.01g/L～2.0g/L之间。将所述FeS/Fe⁰复合材料和所述过二硫酸盐混合均匀，所述FeS/Fe⁰复合材料释放亚铁离子和零价铁，外层包裹的FeS能够促进电子的转移，与所述过二硫酸盐反应，产生具有氧化性的硫酸根自由基，所述自由基降解所述废水中的有机污染物。

以降解2，4-DCP为例，比较单独加入过硫酸盐，单独加入FeS/Fe⁰复合材料，同时加入FeS/Fe⁰复合材料和过硫酸盐这三种方式降解有机污染物。利用FeS/Fe⁰复合材料活化过硫酸盐降解2，4-DCP的实验在40mL的血清瓶中进行，具体的降解过程为：配制2，4-DCP浓度为20mg/L的模拟有机污染废水40mL，调节pH值为7.0，然后加入4mmol的过硫酸盐(以过硫酸钠为例，配制的过硫酸钠母液为1mol/L，只需加入0.16mL的过硫酸钠，因此对pH值的影响可以忽略不计)；最后加入0.4g/L的FeS/Fe⁰复合材料，血清瓶放在水浴恒温振荡器中振荡反应，温度为25℃，振荡速度为200次/分，在固定的反应时间，0、2、5、10、20、30、45、60min取样，用甲醇猝灭，经0.45μm有机滤膜过滤后，用高效液相色谱法来测定其含量，计算降解率。单独用过硫酸盐降解有机污染物的实验，除了不加FeS/Fe⁰复合材料外，其余的与上述方法一致；单独加入FeS/Fe⁰复合材料降解有机污染物的实验中，不需要加任何过硫酸盐，其余过程和方法同上。实验结果如图7。

从图7中可以看出，本发明所述FeS/Fe⁰复合材料活化过硫酸盐处理有机污染物的效果很好，20min就能降解干净，效率很高，相比较，单独使用该FeS/Fe⁰复合材料无法降解2,4-DCP，而单独加入过硫酸盐处理有机污染物，虽然有一些效果，但是效率非常低。

(2)FeS/Fe⁰复合材料活化过氧化氢处理废水有机污染物的应用

以降解2，4-DCP为例，比较单独加入过氧化氢，单独加入FeS/Fe⁰复合材料，同时加入FeS/Fe⁰复合材料和过氧化氢这三种方式降解有机污染物。利用FeS/Fe⁰复合材料活化过氧化氢降解2，4-DCP的实验在40mL的血清瓶中进行，具体的降解过程为：配制2，4-DCP浓度为20mg/L的模拟有机污染废水40mL，调节pH值为3.0，然后加入4mmol的过氧化氢(配制的H₂O₂母液为1mol/L，只需加入0.16mL的H₂O₂，因此对pH值的影响可以忽略不计)；最后加入0.4g/L的FeS/Fe⁰复合材料，血清瓶放在水浴恒温振荡器中振荡反应，温度为25℃，振荡速度为200次/分，在固定的反应时间，0、2、5、10、20、30、45、60min取样，用甲醇猝灭，经0.45μm有机滤膜过滤后，用高效液相色谱法来测定其含量，计算降解率。单独用H₂O₂降解有机污染物的实验，除了不加FeS/Fe⁰复合材料外，其余的与上述方法一致；单独加入FeS/Fe⁰复合材料降解有机污染物的实验中，不需要加任何H₂O₂溶液，其余过程和方法同上。实验结果如图8。

从图8中可以看出，本发明所述FeS/Fe⁰复合材料活化H₂O₂处理有机污染物的效果很好，15min就能降解干净，然而，单独使用该FeS/Fe⁰复合材料基本无法降解2,4-DCP，而单独加入H₂O₂溶液处理有机污染物，虽然有一些效果，但是效率非常低。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种FeS/Fe⁰复合材料，其特征在于，所述FeS/Fe⁰复合材料是由纳米FeS和纳米Fe⁰复合而成，所述纳米FeS包覆在纳米Fe⁰表面，所述纳米Fe⁰和纳米FeS的摩尔比为2:1～15:1；所述FeS/Fe⁰复合材料通过如下方法制备得到：

（1）将铁盐和强还原剂分别溶于无氧水得到铁盐溶液和强还原剂溶液，在N₂环境保护下，将强还原剂溶液逐滴加入到铁盐溶液，机械搅拌，生成黑色的纳米零价铁颗粒；

（2）磁分离溶液中的纳米零价铁颗粒，用无氧水和无水乙醇分别洗涤后；再将纳米零价铁均匀的分散在无氧水中得到纳米零价铁悬浊液；

（3）将亚铁盐溶解于无氧水中，然后倒入纳米零价铁悬浊液混合均匀，在N₂环境下持续搅拌，得到含Fe²⁺的纳米零价铁悬浊液；

（4）将Na₂S或K₂S溶解于无氧水得到Na₂S溶液或K₂S溶液，然后将Na₂S溶液或K₂S溶液逐滴加入到含Fe²⁺的纳米零价铁悬浊液中，在N₂环境下持续搅拌，充分反应；

（5）磁力分离出生成的黑色沉淀，用无氧水和无水乙醇分别洗涤后，真空干燥得到FeS/Fe⁰复合材料。

2.根据权利要求1所述的FeS/Fe⁰复合材料，其特征在于，步骤（1）所述铁盐为亚铁盐或三价铁盐。

3.根据权利要求1所述的FeS/Fe⁰复合材料，其特征在于，步骤（1）所述强还原剂为硼氢化钠或硼氢化钾。

4.根据权利要求1所述的FeS/Fe⁰复合材料，其特征在于，步骤（1）所述铁盐和强还原剂的摩尔比为1:2～1:3。

5.根据权利要求1所述的FeS/Fe⁰复合材料，其特征在于，步骤（3）所述纳米零价铁和Fe^{2 +}的摩尔比为2:1～15:1。

6.根据权利要求1所述的FeS/Fe⁰复合材料，其特征在于，步骤（4）所述Na₂S或K₂S的物质的量与步骤（3）所述亚铁盐的物质的量相同，即Fe²⁺与S^2-的摩尔比为1:1。

7.权利要求1所述FeS/Fe⁰复合材料在还原吸附废水重金属离子中的应用。

8.权利要求1所述FeS/Fe⁰复合材料在活化过氧化氢或过硫酸盐降解和矿化有机污染物方面的应用。