CN107983306A

CN107983306A - 一种活性炭载纳米氧化铁吸附剂及其制备方法

Info

Publication number: CN107983306A
Application number: CN201711244428.0A
Authority: CN
Inventors: 吴锦华; 李冰; 谭雪云; 李平
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2017-11-30
Filing date: 2017-11-30
Publication date: 2018-05-04

Abstract

本发明公开了一种活性炭载纳米氧化铁吸附剂及其制备方法与应用。该制备方法以活性炭为载体，通过简单的浸渍、调碱和煅烧，成功地将纳米氧化铁负载到活性炭表面和孔道，得到所述活性炭负载纳米氧化铁吸附剂。本发明的活性炭载纳米氧化铁吸附剂能同步、有效地去除饮用水中的重金属阴离子、重金属阳离子和抗生素，在同步去除Cr(VI)、Cd(II)和抗生素中表现出良好的吸附性能，从而提升活性炭饮用水处理领域的效能，简化饮用水吸附处理过程，保证饮用水安全。

Description

一种活性炭载纳米氧化铁吸附剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及吸附剂制备技术领域，具体涉及一种活性炭载纳米氧化铁吸附剂及其制备方法。

背景技术

随着工农业尤其是化工、采矿、冶炼、电镀、制革、养殖等行业的快速发展及抗生素的广泛使用，自然水体中重金属和抗生素污染程度日益严重。重金属离子只要微量浓度即产生毒性效应，且有生物富集和传递作用，而抗生素在生态环境中不仅能诱导细菌产生耐药性，也对水生生物、人体健康构成潜在的威胁，因此去除饮用水中的重金属和抗生素成为饮用水处理发展的新趋势。目前，饮用水的净化常采用混凝沉淀、电渗析、膜过滤和离子交换等。这些方法虽能部分或完全去除重金属和抗生素，但也存在一定的局限性，譬如混凝沉淀法需投加大量的化学药剂，易造成二次污染；膜过滤法和电渗析法存在投资和运行成本过高、膜使用寿命短等问题；离子交换法只能选择性的去除水中阴性或阳性重金属离子且难以去除抗生素。

吸附法相比于上述方法而言，具有工艺简单且操作和维护简便、易于实际应用和成本低廉等优点，其中活性炭是应用最广的吸附剂。活性炭具有高度发达的孔隙结构，大比表面积和良好的吸附性能等特性，对中性小分子有机污染物具有良好的吸附性能，但它表面酸碱性官能团数量少，离子交换能力弱，因此对水中的重金属离子和抗生素的吸附能力非常弱，难以用来去除饮用水中的阴、阳重金属离子和抗生素。因此，如何提高活性炭对饮用水中的重金属离子及抗生素的去除能力成为了饮用水净化材料发展新方向。

氧化铁是自然界广泛存在的矿物，具有较大的比表面积和较好稳定性，而且它表面的铁氧基对阴性、阳性重金属离子和抗生素均具有很强的亲和能力，此外，吸附在表面的污染物如金属离子和抗生素，经简单的酸洗即可再生和重复利用，因此在引用水净化领域具有广阔的应用前景。但行业应用及科研研究结果表明，在应用过程中氧化铁由于具有较高的比表面能而趋于聚并并板结，这在一定程度上限制了其在饮用水处理中的应用。考虑到活性炭具有丰富的孔道结构和较高的比表面积，而且与三价铁离子具有较高的亲和能力，因此本发明以活性炭为分散材料，通过浸渍的方法先将铁离子附着在活性炭表面和孔道，经调碱和煅烧，使附着的三价铁离子转化成高分散性的纳米氧化铁颗粒，从而大幅度提高活性炭对饮用水中阴、阳重金属离子和抗生素的去除能力。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种活性炭负载纳米氧化铁吸附剂。该吸附剂通过负载纳米氧化铁赋予活性炭同步去除重金属阴、阳离子（包括Cr(VI)、Cd(II)）和抗生素（包括甲硝唑）的新特性，有效解决现有活性炭对重金属阴、阳离子（包括Cr(VI)、Cd(II)）和抗生素（包括甲硝唑）吸附能力弱的问题。

本发明的目的还在于提供所述的一种活性炭负载纳米氧化铁吸附剂的制备方法。该制备方法以活性炭为载体，通过简单的浸渍、调碱和煅烧，成功地将纳米氧化铁负载到活性炭表面和孔道，负载的纳米氧化铁对饮用水中的重金属和抗生素表现出良好的吸附性能，可同步去除水中阴、阳重金属离子（包括Cr(VI)、Cd(II)）和抗生素（包括甲硝唑），赋予活性炭新的功能，得到所述活性炭负载纳米氧化铁吸附剂。

本发明的另一目的还在于提供所述的一种活性炭负载纳米氧化铁吸附剂在同步去除水中阴、阳重金属离子和抗生素中的应用。

本发明的目的通过如下技术方案实现。

一种活性炭负载纳米氧化铁吸附剂的制备方法，包括以下步骤：

（1）将活性炭投加到HCl溶液中浸泡，然后用去离子水洗涤去除残留的酸和杂质，过滤、烘干，得到处理后的活性炭，备用；

（2）将FeCl_3•6H₂O和NaOH分别溶于去离子水中，配制FeCl₃溶液和NaOH溶液；将处理后的活性炭加入配制的FeCl₃溶液中，搅匀，得到活性炭与Fe(III)的混合液；再将NaOH溶液滴加到活性炭与Fe(III)的混合液中进行调碱，然后转移到反应釜中进行水热反应；

（3）水热反应结束后，离心收集沉淀，并洗涤至中性后烘干，得到的固体为吸附剂前驱体，转移至坩埚中并放置于马弗炉中煅烧，得到所述活性炭负载纳米氧化铁吸附剂（nFe₂O₃@AC）。

进一步地，步骤（1）中，所述活性炭为商用活性炭，粒径为100~200目。

进一步地，步骤（1）中，所述HCl溶液的浓度为0.1~1.0 mol/L，优选为0.1 mol/L。

进一步地，步骤（1）中，所述浸泡的时间为24 h。

进一步地，步骤（1）中，所述浸泡按每100 g活性炭采用500 mL浓度为0.1 ~1.0mol/L的HCl溶液浸泡。

进一步地，步骤（2）中，所述FeCl₃溶液的浓度为0.1~0.5 mol/L，优选为0.5 mol/L。

进一步地，步骤（2）中，所述NaOH溶液的浓度为0.3~1.5 mol/L，优选为1.5 mol/L。

进一步地，步骤（2）中，所述搅匀是在30℃下搅拌12~24 h，优选为12 h。

更进一步地，步骤（2）中，所述处理后的活性炭与FeCl₃溶液的料液比为1：40g/mL。

更进一步地，步骤（2）中，所述FeCl₃溶液和NaOH溶液的用量体积比为1:1，优选的，按照FeCl₃和NaOH物质的量比为1:3添加。

更进一步地，步骤（2）中，所述NaOH溶液的滴加速度为0.5 mL/min。

进一步地，步骤（2）中，所述水热反应的温度为90℃，时间为24 h。

进一步地，步骤（3）中，所述离心的转速为3000 rpm，离心的时间为2 min。

进一步地，步骤（3）中，所述煅烧的温度为350℃，煅烧的时间为2~3 h。

进一步地，步骤（1）、（3）中，所述烘干的温度为60~70℃，优选为60℃，烘干的时间为8~12 h。

由上述任一项所述的制备方法制得的一种活性炭负载纳米氧化铁吸附剂，得到的活性炭负载纳米氧化铁吸附剂中，负载的纳米氧化铁占炭基的质量分数为9%，负载的氧化铁的尺寸介于50 nm~500 nm之间。

所述的一种活性炭负载纳米氧化铁吸附剂的应用，应用于同步去除水中的重金属阴离子、重金属阳离子和抗生素。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

（1）本发明的活性炭载纳米氧化铁吸附剂能同步、有效地去除饮用水中的重金属阴离子、重金属阳离子和抗生素，在同步去除Cr(VI)、Cd(II)和抗生素（包括甲硝唑）中表现出良好的吸附性能，从而提升活性炭饮用水处理领域的效能，简化饮用水吸附处理过程，保证饮用水安全；

（2）本发明制备活性炭载纳米氧化铁吸附剂的方法简单、可操作性强、再生性好，有利于实现大规模工业化生产。

附图说明

图1为实施例1制备的活性炭载纳米氧化铁吸附剂的扫描电镜（SEM）图；

图2为实施例1制备的活性炭负载纳米氧化铁吸附剂的X射线衍射（XRD）图；

图3为实施例1制备的活性炭载纳米氧化铁吸附剂对不同浓度的六价铬离子、二价镉离子和甲硝唑的等温吸附线图。

具体实施方式

以下结合具体实施例及附图对本发明技术方案作进一步详细描述，但本发明的保护范围和实施方式不限于此。

实施例1

活性炭负载纳米氧化铁吸附剂（nFe₂O₃@AC）的制备，具体包括如下步骤：

（1）选取100~200目的粉末活性炭10 g加入到含有50 mL 0.1 mol/L盐酸的100 mL烧杯中，浸泡24 h后将其过滤，用去离子水洗涤3次以去除多余的酸和杂质，抽滤后于烘箱60℃烘干，得到处理后的活性炭，备用；

（2）配制0.5 mol/L的FeCl₃溶液，称取5 g处理后的活性炭置于200 mL的FeCl₃溶液中，在30℃和磁力搅拌条件下反应12 h，得到活性炭与Fe(III)的混合液；配制1.5 mol/LNaOH溶液200 mL，以0.5 mL/min的速度边搅拌边滴加到活性炭与Fe(III)的的混合液中进行调碱，调碱后将溶液转移到500 mL的水热反应釜中，于90℃下反应24 h；

（3）反应结束后，过滤，所得的活性炭经淋洗、离心（3000 rpm，2 min）至中性，60℃下干燥12 h，得到吸附剂前驱体；将吸附剂前驱体转移到坩埚中，置于马弗炉在350℃下煅烧2h，得到活性炭负载纳米氧化铁吸附剂（nFe₂O₃@AC）。

制备的活性炭负载纳米氧化铁吸附剂的扫描电镜（SEM）图如图1所示，由图1中可以看出氧化铁颗粒以50-500 nm的粒径均匀分布在活性炭表面和孔道中。

制备的活性炭负载纳米氧化铁吸附剂的X射线衍射（XRD）图如图2所示，由图2可知，图中出现了氧化铁的特征峰，说明有氧化铁生成；活性炭中Fe的含量为3.15%，nFe₂O₃的含量为9%。

为了比较未改性及改性活性炭对Cr(VI)、Cd(II)和甲硝唑的吸附效果，进行了以下实验。

配制浓度为0~200 mg/L的Cr(VI)、Cd(II)和甲硝唑的混合溶液，初始pH调节至6，分别称量0.05 g的未改性活性炭和改性活性炭的吸附剂（nFe₂O₃@AC）加入到含100 mL混合溶液的锥形瓶中，在室温下以60 r/min的转速振荡720 min以达到吸附平衡，用针筒取样并经0.45 µm滤膜过滤后，采用北京海光GGX-600火焰原子吸收仪和上海元析UV-5200紫外风光光度计测定溶液中Cr(VI)、Cd(II)和甲硝唑的浓度。

制备的活性炭载纳米氧化铁吸附剂对不同浓度的六价铬离子、二价镉离子和甲硝唑的等温吸附线如图3所示，从图3中可以看出，活性炭载纳米氧化铁（nFe₂O₃@AC）对六价铬离子、二价镉离子和甲硝唑的最大吸附容量分别为10.7 mg/g、15.1 mg/g和67.5 mg/g，而活性炭的最大吸附容量分别为1.52 mg/g、4.98 mg/g和39.2 mg/g。该结果表明，改性后的活性炭对六价铬离子、二价镉离子和甲硝唑的能力得到大幅度提升，而且可同步去除三者。

以上实施例仅为本发明较优的实施方式，仅用于解释本发明，而非限制本发明，本领域技术人员在未脱离本发明精神实质与原理下所作的任何改变、替换、组合、简化、修饰等，均应为等效的置换方式，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种活性炭负载纳米氧化铁吸附剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（2）将FeCl_3•6H₂O和NaOH分别溶于去离子水中，配制FeCl₃溶液和NaOH溶液；将处理后的活性炭加入配制的FeCl₃溶液中，搅匀，得到活性炭与Fe(III)的混合液；再将NaOH溶液滴加到活性炭与Fe(III)的混合液中，然后转移到反应釜中进行水热反应；

（3）水热反应结束后，离心收集沉淀，并洗涤至中性后烘干，转移至坩埚中并放置于马弗炉中煅烧，得到所述活性炭负载纳米氧化铁吸附剂。

2.根据权利要求1所述的一种活性炭负载纳米氧化铁吸附剂的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述活性炭为商用活性炭，粒径为100~200目；所述HCl溶液的浓度为0.1~1.0mol/L。

3.根据权利要求1所述的一种活性炭负载纳米氧化铁吸附剂的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述浸泡的时间为24 h；所述浸泡按每100 g活性炭采用500 mL浓度为0.1~1.0mol/L的HCl溶液浸泡。

4.根据权利要求1所述的一种活性炭负载纳米氧化铁吸附剂的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述FeCl₃溶液的浓度为0.1~0.5 mol/L；所述NaOH溶液的浓度为0.3~1.5 mol/L。

5.根据权利要求4所述的一种活性炭负载纳米氧化铁吸附剂的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述搅匀是在30℃下搅拌12~24 h；所述处理后的活性炭与FeCl₃溶液的料液比为1：40 g/mL；所述FeCl₃溶液和NaOH溶液的用量体积比为1:1；所述NaOH溶液的滴加速度为0.5 mL/min。

6.根据权利要求1所述的一种活性炭负载纳米氧化铁吸附剂的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述水热反应的温度为90℃，时间为24 h。

7.根据权利要求1所述的一种活性炭负载纳米氧化铁吸附剂的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，所述离心的转速为3000 rpm，离心的时间为2 min；所述煅烧的温度为350℃，煅烧的时间为2~3 h。

8.根据权利要求1所述的一种活性炭负载纳米氧化铁吸附剂的制备方法，其特征在于，步骤（1）、（3）中，所述烘干的温度为60~70℃，烘干的时间为8~12 h。

9.由权利要求1~8任一项所述的制备方法制得的一种活性炭负载纳米氧化铁吸附剂，其特征在于，活性炭负载纳米氧化铁吸附剂中，负载的纳米氧化铁占炭基的质量分数为9%，负载的氧化铁的尺寸介于50 nm~500 nm之间。

10.权利要求9所述的一种活性炭负载纳米氧化铁吸附剂的应用，其特征在于，应用于同步去除水中的重金属阴离子、重金属阳离子和抗生素。