CN110314638A - 一种用于去除环境中磷素的矿渣纳米铁负载材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于去除环境中磷素的矿渣纳米铁负载材料，以矿渣粉为载体，Fe2+均匀负载于所述矿渣粉表面孔隙中，且所述Fe2+和所述矿渣粉的质量比为1：1～10，在氮气保护下，FeSO4·7H2O与NaBH4发生氧化还原反应，将纳米零价铁在乙醇水溶液中固定到所述矿渣粉表面孔隙中，得到具有高比表面积和高效吸附性能的矿渣纳米铁负载材料，同时发挥纳米零价铁的反应活性，既可强化生物除磷效力，也可以用来单独除磷，实现两者协同去除磷素污染物的效果。

Description

一种用于去除环境中磷素的矿渣纳米铁负载材料
技术领域
本发明属于环保材料技术领域，具体涉及一种用于去除环境中磷素的矿渣纳米铁负载材料。
背景技术
随着城市化和工业化的不断发展，环境污染越来越严重，人类向环境中排放的磷素高度增加，磷本身是地球系统中维系生命的主要元素之一，也是构成生物体并参与其新陈代谢过程必不可少的元素，但如果水体中磷素含量超过20mg/L就会造成水体富营养化，影响水质状况及水生生物的生存，破坏水体生态系统，影响人体健康；若土壤中磷素含量过高则会造成土壤污染致使土地利用率降低，因此亟待研发出能够有效净化环境中磷素的新技术，以改善环境中磷素含量过高的现象，提高人们的健康生活水平。
目前对于环境中磷素的去除方法主要有疏浚底泥法、化学沉淀法、生物法、离子交换法及吸附法等，但疏浚底泥法等物理方法往往会受其工程规模限制，导致处理效率不高；化学沉淀法中添加化学沉淀剂会影响处理受体的pH，对设备产生不良影响及引起二次污染；生物法中有关微生物驯养困难，受环境条件限制，并需要很高的管理成本；而离子交换法则会因离子交换树脂上的官能基的饱和而导致去离子效率降低，且容易受到有机物质的污染。故目前还是多用吸附法来去除环境中磷素。
目前，矿渣粉材料的应用多集中于将其作为水泥生产的原材料，还没有运用到去除环境中磷素的治理方面。而由于纳米零价铁材料粒径小易随水流出，且运用时存在以下几个问题：(1)纳米零价铁比表面积较大、磁性较强，极易团聚形成比表面积较小的大颗粒，使其活性降低，影响其研究及利用价值；(2)纳米零价铁在水土中易团聚，它在水土中的流动性因此减弱，难以与污染物充分接触反应，使其在实际工程中的应用性降低；(3)纳米零价铁易氧化甚至会出现自燃现象，导致其在使用过程中会造成较大损耗，仅能在短时间内作用于污染物。
发明内容
本发明针对上述材料存在的缺陷，发明人发现矿渣粉(粒化高炉矿渣粉)由于其磷素吸附容量大且磷素释放量很低，例如放在人工湿地中，除能为微生物提供良好的依附表面、为水生植物提供载体和营养物质外，也可对污水净化起作用，同时矿渣粉中含有的CaO等成分可与磷酸根结合生成不溶性或难溶性沉淀物，能够用来做人工湿地的基质材料净化磷素。纳米零价铁因其制造原料易得、低廉、无二次污染可应用在水土环境治理和修复中，将两者有机结合可以成为去除环境中磷素的一种重要有效手段。
本发明以矿渣粉为载体，以无水乙醇为溶剂，在氮气保护下，基于还原机理利用矿渣粉表面的多孔隙特征将纳米零价铁固定到其中，得到一种矿渣粉负载纳米零价铁的新材料，具有比表面积高和高效吸附性能，同时发挥纳米零价铁的反应活性，既可强化生物除磷法的效力，也可以用来单独除磷，实现两者协同去除磷素污染物的效果。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
一种用于去除环境中磷素的矿渣纳米铁负载材料，以矿渣粉为载体，Fe2+均匀负载于所述矿渣粉表面孔隙中，且所述Fe2+和所述矿渣粉的质量比为1：1～10。
进一步，所述矿渣纳米铁负载材料内Fe2+和所述矿渣粉的质量比为1：4，比表面积为9.054m2/g，孔容为0.035cm3/g，孔径为3.931nm。
进一步，所述矿渣粉的平均粒径为20～100μm。
进一步，所述矿渣纳米铁负载材料的制备方法，以矿渣粉为载体，在氮气保护下，FeSO4·7H2O与NaBH4发生氧化还原反应，将纳米零价铁在乙醇水溶液中固定到所述矿渣粉表面孔隙中；具体地，包括以下步骤：
(1)称取矿渣粉置于200mL75％的乙醇-水溶液中，并加入到1L的玻璃反应釜内；再称取12.44gFeSO4·7H2O加入到上述溶液中，所述Fe2+和所述矿渣粉的质量比为1：1～10，在40～60r/m搅拌15～45min至充分混匀；
(2)取50mL浓度为0.5mol/L的NaBH4溶液置于恒压漏斗中，BH-和Fe2+的摩尔比为3：1，以每秒3滴将NaBH4溶液逐滴加入到步骤(1)的矿渣粉-FeSO4混合液中，NaBH4溶液滴入反应开始，混合溶液颜色逐渐变成黑色，且产生气体；
(3)NaBH4溶液滴加完毕后，继续搅拌5～15min，整个反应过程持续通入N2；
(4)反应结束后，依次经无水乙醇、无氧去离子水冲洗数次，抽滤，置于真空冷冻干燥剂内干燥4～5h，取出。
第二方面，上述矿渣纳米铁负载材料在去除污水或土壤磷素的应用。
进一步，所述矿渣纳米铁负载材料的总磷平均去除率不低于65％。
进一步，所述矿渣纳米铁负载材料的使用量为0.1g时，总磷平均去除率为77％。
本发明的有益效果是：
(1)本发明克服单独使用矿渣粉或纳米零价铁材料的缺点，利用矿渣粉表面的孔隙结构负载纳米零价铁，所得矿渣纳米铁负载材料具有大比表面积与孔容，高效吸附能力，而且纳米零价铁不会轻易发生团聚或快速被氧化。
(2)本发明利用还原法制备负载材料，操作过程简单，成本低廉，满足大规模生产的需求。
(3)本发明制备的负载材料在净化污水或土壤修复中能得到广泛应用，处理废水或废土时可用磁性分离法，不会造成二次污染。
附图说明
图1为矿渣纳米铁负载材料的制备工艺流程图，利用FeSO4·7H2O与NaBH4的氧化还原反应将纳米零价铁在乙醇水溶液中固定到矿渣粉表面孔隙中。
图2为矿渣粉与矿渣纳米铁负载材料的扫描电镜图，由上及下、由左及右分别为矿渣粉200μm、20μm和矿渣纳米铁负载材料200μm、20μm大小的SEM图，可明显看出纳米零价铁有效地负载在矿渣粉材料表面。
图3为不同质量比的矿渣纳米铁负载材料的除磷效果图，可明显看出Fe2+和矿渣粉的质量比1:4的负载材料具有更好的去除率。
图4为矿渣纳米铁负载材料的除磷效果图，负载材料的TP平均去除率可达65％以上，以0.1g的用量即可达到77％的去除率。
具体实施方式
以下实例中矿渣纳米铁负载材料的制备方法为：
(1)称取10g矿渣粉置于200mL75％的乙醇-水溶液中，然后加入到1L的玻璃反应釜中；再称取12.44gFeSO4·7H2O(矿渣粉与Fe2+的质量比为4:1)加入到上述溶液中，使搅拌机转速维持在40～60r/m，搅拌30min，使其充分混匀；
(2)称取6.76g NaBH4溶解于50mL纯水，并置于恒压漏斗中，其中，BH-/Fe2+为3:1(物质的量比)，以每秒3滴将NaBH4溶液逐滴加入到矿渣粉-FeSO4混合液中，NaBH4溶液一旦滴入反应立即开始，混合溶液颜色将逐渐变成黑色，且产生气体，需注意开窗通风；
(3)NaBH4溶液滴加完毕后应继续搅拌，整个反应过程持续通入N2，应注意N2通入过大易造成容器内溶液飞溅，影响复合材料质量配比的准确性，N2通入过少则会导致铁材料氧化而制备失败；
(4)反应结束后，用无水乙醇洗涤3次，再用无氧去离子水冲洗数次，抽滤，置于真空冷冻干燥剂内干燥4～5h，取出备用。
表1
材料 比表面积(m<sup>2</sup>/g) 孔容(cm<sup>3</sup>/g) 孔径(nm)
矿渣粉 2.289 0.011 3.933
矿渣纳米铁负载材料 9.054 0.035 3.931
结合图1、2和表1可知，本发明成功地将纳米零价铁负载到矿渣粉表面，负载得到的材料呈现黑色，整体颜色均匀，且得到的新型负载材料地比表面积达到9.054m2/g，较矿渣粉材料本身2.289m2/g的比表面积明显增大，有利于大量吸附磷素，同时该负载材料所含的铁元素也有助于促进硝化与反硝化过程的进行，具体表现为：Fe0本身会与NO3 -反应释放NH4 +，促进硝化作用正反应的进行；Fe2+可作为电子供体参与反硝化作用将NO3 -或NO2 -还原成N2或N2O，同时被氧化生成的Fe3+又会固定PO4 -生成稳定的络合物沉淀下来，从而达到更好的除磷效果。在使用过程中，上述新型负载材料既能保证矿渣粉的吸附作用，又可以发挥纳米零价铁的反应活性，实现两者协同去除污染物的目的。
按照上述制备方法制备六种不同质量比(Fe2+：矿渣粉)的矿渣纳米铁负载材料，分别为1:10，1:8，1:6，1:4，1:2，1:1，配制模拟劣五类污水进行吸附实验，具体操作步骤为依次称取0.1g，0.2g，0.5g，1g，2g的负载材料和矿渣粉分别放入盛有100mL污水的锥形瓶中，在25℃条件下，以165rpm的转速在摇床中摇24h，取出后用分光光度法测TP的去除率，最终比较得质量比为1:4比例的负载材料具有最好的除磷效果，其TP平均去除率可达65％以上，以0.1g的用量即可达到77％的去除率。
综上所述，本发明针对矿渣粉本身颗粒小、孔隙率及比表面积较大，区别于蒙脱石或沸石等材料不具备高吸附性能的特性，通过分析矿渣粉与纳米零价铁的特性以及应用研究，以矿渣粉作为载体，将纳米零价铁固定到矿渣粉表面的多孔隙中制备矿渣纳米铁负载材料，一是可有效满足作为纳米零价铁负载载体的性能要求；二是又能实现矿渣粉本身作为一种炼钢副产物的再利用，充分体现固体废弃物循环利用的绿色理念。而且，本发明选择的纳米级零价铁具有高的比表面积，且由于Fe的电极电位为-0.41V，具有很强的还原性，可有效地还原污水中无机物、重金属离子及染料农药等污染物，改变单一材料的使用缺点，既可被大量制备、价格低廉，又可利用两者协同作用改良及提高了对水体中磷或土壤中磷的去除率，并能够运用到人工湿地甚至盐碱地等水处理中。在水处理或环境修复中应用广泛。

Claims (8)

1.一种用于去除环境中磷素的矿渣纳米铁负载材料，其特征在于，以矿渣粉为载体，Fe2 +均匀负载于所述矿渣粉表面孔隙中，且所述Fe2+和所述矿渣粉的质量比为1：1～10。
2.如权利要求1所述的矿渣纳米铁负载材料，其特征在于，所述矿渣纳米铁负载材料内Fe2+和所述矿渣粉的质量比为1：4，比表面积为9.054m2/g，孔容为0.035cm3/g，孔径为3.931nm。
3.如权利要求1所述的矿渣纳米铁负载材料，其特征在于，所述矿渣粉的平均粒径为20～100μm。
4.如权利要求1～3任一项所述的矿渣纳米铁负载材料，其特征在于，所述矿渣纳米铁负载材料以矿渣粉为载体，在氮气保护下FeSO4·7H2O与NaBH4发生氧化还原反应，将纳米零价铁在乙醇水溶液中固定到所述矿渣粉表面孔隙中制得。
5.如权利要求4所述的矿渣纳米铁负载材料，其特征在于，包括以下步骤：
(1)称取10g矿渣粉置于200mL75％的乙醇-水溶液中，并加入到1L的玻璃反应釜内，再称取12.44gFeSO4.7H2O加入到上述溶液中，其中Fe2+和所述矿渣粉的质量比为1：1～10，在40～60r/m搅拌15～45min混匀；
(2)取50mL浓度为0.5mol/L的NaBH4溶液置于恒压漏斗中，BH-和Fe2+的摩尔比为3：1，以每秒3滴将NaBH4溶液逐滴加入到步骤(1)的矿渣粉-FeSO4混合液中，NaBH4溶液滴入反应开始，混合溶液颜色逐渐变成黑色，且产生气体；
(3)NaBH4溶液滴加完毕后，继续搅拌5～15min，整个反应过程持续通入N2；
(4)反应结束后，依次经无水乙醇、无氧去离子水冲洗数次，抽滤，置于真空冷冻干燥剂内干燥4～5h，取出。
6.权利要求1～5任一项所述的矿渣纳米铁负载材料在去除污水或土壤磷素的应用。
7.如权利要求6所述的应用，其特征在于，所述矿渣纳米铁负载材料的总磷平均去除率不低于65％。
8.如权利要求6所述的应用，其特征在于，所述矿渣纳米铁负载材料的使用量为0.1g时，总磷平均去除率为77％。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112755963A (zh) * 2020-12-15 2021-05-07 生态环境部华南环境科学研究所 一种绿色合成磁性复合纳米材料、制备方法及其应用
CN113996268A (zh) * 2021-11-16 2022-02-01 太原理工大学 一种负载型纳米零价铁铈吸附剂及其同步脱氮除磷的方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101791534A (zh) * 2010-04-14 2010-08-04 西南大学 一种除磷吸附剂及其制备方法
CN103721667A (zh) * 2013-12-17 2014-04-16 江苏省农业科学院 一种高效的除磷吸附剂及制备方法
CN106111048A (zh) * 2016-07-12 2016-11-16 成都理工大学 一种用于去除水中磷酸盐的蛋壳负载纳米铁材料及其制备方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101791534A (zh) * 2010-04-14 2010-08-04 西南大学 一种除磷吸附剂及其制备方法
CN103721667A (zh) * 2013-12-17 2014-04-16 江苏省农业科学院 一种高效的除磷吸附剂及制备方法
CN106111048A (zh) * 2016-07-12 2016-11-16 成都理工大学 一种用于去除水中磷酸盐的蛋壳负载纳米铁材料及其制备方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112755963A (zh) * 2020-12-15 2021-05-07 生态环境部华南环境科学研究所 一种绿色合成磁性复合纳米材料、制备方法及其应用
CN113996268A (zh) * 2021-11-16 2022-02-01 太原理工大学 一种负载型纳米零价铁铈吸附剂及其同步脱氮除磷的方法

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