CN110548485B - 一种改性废旧阴极炭材料及其制备和应用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种改性废旧阴极炭材料及其制备和应用方法，属于铝电解固废资源综合利用以及水污染控制工程领域。该方法所涉及的材料制备步骤如下：对无害化后的废旧阴极进行氧化插层处理，在高温下实现瞬间膨化开孔，用水溶液冲洗，去除杂质和灰分；将预处理后的废旧阴极炭加入到一定浓度的Fe3+溶液中，混匀改性一段时间后过滤，用去离子水冲洗至中性，即得到铁改性废旧阴极炭成品。该方法工艺简便，原料易得，成本低廉，无二次污染，适合工业化生产。制备得到的铁改性废旧阴极炭比表面积高达140.1m2/g，孔隙结构发达，表面性能优异，对水溶液中的As(Ⅲ)和Cd(Ⅱ)的吸附容量分别达到23.26mg/g和6.82mg/g，在重金属废水处理中具有很好的应有前景。

Description

一种改性废旧阴极炭材料及其制备和应用方法
技术领域
本发明涉及一种改性废旧阴极炭材料及其制备和应用方法，属于铝电解固废资源综合利用以及水污染控制工程领域。
背景技术
近年来，随着我国工业和经济的不断发展，涉重金属行业产生了大量含重金属的工业废水，使得水环境中重金属的含量急剧升高，对生态环境的稳定以及人类的生产生活造成了严重的威胁。据统计，全球每年排放到环境中的有毒重金属高达数百万吨，其中砷为12.5万吨，镉为3.9万吨，并且呈逐年上升的趋势。因此，如何有效地去除废水中的重金属已成为亟待解决的科学问题。
目前，有效治理重金属废水的方法包括化学沉淀法、电化学法、吸附法、膜分离法、光催化法等。其中，吸附法因其操作过程简单，处理效果好，无二次污染等优点收到了越来越多的关注，使用废弃物作为原料制备吸附剂则更好的实现了可持续发展。专利CN107376829A提出了一种载铁粉煤灰除砷吸附剂的制备方法，将除杂后的粉煤灰在NaOH溶液中搅拌，之后在球磨机中加入水洗到中性的粉煤灰，添加氯化铁溶液混合研磨，并在马弗炉中煅烧，得到吸附性能良好的载铁粉煤灰。专利CN105668681A提出一种改性柚子皮吸附去除水中的六价铬和砷的方法，将柚子皮洗净破碎后加入到氯化铁溶液中，在85-105℃温度下烘干，得到吸附性能良好的改性柚子皮粉。专利CN102872803A提出一种铝改性秸秆生物质炭及其制备方法和在去除水体中砷的应用，将农作物秸秆高温热解后与0.6mol/L铝盐溶液混合，碱化制成能处理水体中砷的改性秸秆生物炭。
铝电解槽废旧阴极由于含有大量氟化物、氰化物等有毒物质，对土壤、水体、大气有着严重的危害，已被列入我国《国家危险废物名录》(废物代321-023-48)。目前针对铝电解槽废旧阴极材料的工业化处理并不多，由于工艺复杂，成本高昂，回收率低等原因只停留在实验室阶段，废旧阴极浸出渣炭素材料的资源化利用更是鲜有报道。因此，为了解决上述问题，本发明利用铝电解槽废旧阴极含有大量高度石墨化的碳，将其膨化制成吸附材料，然后在经过改性处理后用于重金属废水治理，以废治废，减少环境污染的同时实现可持续发展。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题和不足，提供了一种改性废旧阴极炭材料及其制备和处理重金属废水的应用方法。该材料的制备方法原料易得，来源广泛，工艺简单，环境友好，不仅做到了铝电解槽废旧阴极浸出渣中炭素物质的无害化处理，还能将其转化成性能优异的重金属吸附材料，可进行大规模生产。
本发明的目的是通过以下方式实现的。
一种改性废旧阴极炭材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将铝电解槽废旧阴极进行无害化预处理；
(2)将预处理后的铝电解槽废旧阴极与Fe3+溶液混合，振荡改性；
(3)过滤后反复冲洗固体至洗液为中性，干燥后即得到铁改性废旧阴极炭。
上述方法中：所述的无害化预处理包括以下步骤：
步骤1：将铝电解槽废旧阴极浸出渣与氧化剂、插层剂混匀搅拌反应，静置过滤；
步骤2：过滤后的固体材料进行高温膨化处理；
步骤3：冲洗高温膨化处理后的材料。
进一步具体的，无害化预处理步骤1中铝电解槽废旧阴极浸出渣是包括：水浸、碱浸、酸浸、铁盐浸出、铝盐浸出中的一种或多种方法联合处理得到浸出渣。
因为发现在氧化插层过程中，Fe3+可以促进整个膨化过程的进行，而铁盐浸出处理的浸出渣表面和内部就负载一定量的Fe3+，所以本发明优选铁盐溶液浸出后的浸出渣作为处理对象。
铁盐浸出的优选条件为铝电解槽废旧阴极与0.2-0.5mol/L的铁离子溶液以液固比为10:1-15:1mL/g混合，在50-70℃下以100-400r/min的速率搅拌60-120min。
上述无害化预处理中进一步优选，将步骤1中无害化处理的铝电解槽废旧阴极浸出渣在反应前进行破碎球磨，其粒径小于100目的颗粒占所有颗粒总质量的60-100％。
上述无害化预处理中，进一步说明：
步骤1中氧化剂选用：KMnO4、K2Cr2O7、H2O2、CrO3中的一种或多种，优选KMnO4；插层剂选用H2SO4、HNO3、H3PO4、CH3COOH中的一种或多种，优选H2SO4。
上述无害化预处理中，进一步说明：
步骤1中浸出渣与氧化剂混合，质量比为m(氧化剂)/m(浸出渣)＝0.05:1-2:1g/g，优选质量比为0.55:1-0.85:1g/g；
步骤1中浸出渣与插层剂的液固比为V(插层剂)/m(浸出渣)＝3:1-20:1mL/g，优选液固比为3:1-5:1mL/g；浓H2SO4的质量分数为70％-98％，优选质量分数为75％-85％；浓HNO3的质量分数为50％-68％，优选质量分数为60％-68％；H3PO4的质量分数为60％-82％，优选质量分数为70％-82％；CH3COOH的质量分数为75％-98％，优选质量分数为90％-98％。
因为发现在氧化插层过程中，当所使用的插层剂质量分数较大时，溶液粘度较大，呈粘稠状，使得浸出渣、氧化剂、插层剂难以均匀混合，阻碍了反应的进行，同时也为过滤过程带来了困难。实验表明，当对插层剂进行适当稀释时，并不会对结果产生影响，所以本发明优选经过适当稀释的插层剂。试验证明如：75％的浓硫酸效果优于98％的浓硫酸。
上述无害化预处理中，进一步说明：
步骤1中浸出渣与KMnO4、浓H2SO4在25-80℃混匀后，优选温度为25-35℃，在100-400r/min条件下搅拌15-90min，优选30-60min；再静置15-90min，优选30-60min。
上述无害化预处理中，进一步说明：
步骤2中膨化过程中可以在空气、氮气、氩气中的一种或多种下进行，优选在空气中进行。
上述无害化预处理中，进一步说明：
步骤2中滤液可以回收利用，即在补充适当氧化剂、插层剂后返回步骤1中继续与铝电解槽废旧阴极浸出渣混匀，进行反应。
上述无害化预处理中，进一步说明：
步骤2中高温处理的温度为700-1000℃，优选800-900℃，时间为10-60s，优选20-30s。
上述无害化预处理中，进一步说明：
步骤3中冲洗过程采用去离子水、H2SO4、HCl、HNO3、HClO4中的一种或多种，溶液中的H+浓度不超过0.1mol/L，优选0.02-0.05mol/L的HCl或HNO3。冲洗至洗液无颜色为止，是为了除去未反应的氧化剂、插层剂及高温下产生的灰分杂质(具体包括Na4SiO4，NaAl11O17，Al2O3等)。
由于阴极碳棒长期在高温强电流条件下运行，其中的炭素物质已经高度石墨化，本发明巧妙的利用石墨晶体具有层状结构，利用氧化插层，高温膨化的原理，使其层间距增大，一方面进一步除去渗透进入的杂质，达到提纯效果；另一方面实现了材料的开孔扩孔，使得膨化后的材料具有较大的比表面积和发达的孔隙结构，具有良好的吸附性能，可以用来处理重金属废水。此外，在氧化插层过程中，Fe3+可以促进整个膨化过程的进行，而铁盐浸出处理的浸出渣表面和内部就负载一定量的Fe3+，所以本发明优选铁盐溶液浸出后的浸出渣作为处理对象。
上述改性废旧阴极炭材料的制备方法中，进一步说明：
步骤(2)中所述Fe3+溶液由含铁的硝酸盐、硫酸盐、氯化盐、草酸盐、醋酸盐、柠檬酸盐中的一种或多种配制而成。优选硝酸铁、氯化铁。
上述改性废旧阴极炭材料的制备方法中，进一步说明：
步骤(2)保持铁与预处理后的铝电解槽废旧阴极质量比为0.1:1-5:1g/g，进一步优选质量比为0.2:1-0.5:1g/g。
上述改性废旧阴极炭材料的制备方法中，进一步说明：
步骤(2)中预处理后的铝电解槽废旧阴极与Fe3+溶液混合，振荡改性6-48h，优选改性时间为12-24h。
步骤(2)中废旧阴极炭与Fe3+溶液在25-80℃下混合，优选温度为30-40℃，在100-400r/min的速度下振荡改性。
步骤(3)中过滤得到的滤液在补充适当铁盐后可返回步骤(2)中继续改性铝电解槽废旧阴极炭，冲洗用的去离子水反复使用。
步骤(4)中制得的铁改性废旧阴极炭可处理包括镉、铬、铅、铜、锌、砷等一种或多种重金属离子在内的废水。
本发明制得的铁改性废旧阴极炭比表面积高达140.1m2/g，相较于改性前的废旧阴极材料提高了374％，对水溶液中的As(III)和Cd(Ⅱ)的吸附容量分别达到23.26mg/g和6.82mg/g，相较于改性前的废旧阴极材料分别提高了467％和464％。
与现有技术相比，本发明具有以下的优点及有益效果：
1、本发明适用于所有铝电解槽废旧阴极，原料易得，工艺简单，成本低廉，条件温和，无二次污染。
2、本发明直接实现了铝电解槽废旧阴极的资源化利用，充分利用了其中的炭素物质，以废治废。
3、在本发明的膨化过程中，使得已经石墨化的炭素物质层间距扩大，杂质更易溶出，而且浓硫酸也能溶解酸溶性物质，在氧化插层的同时实现了对废旧阴极炭素物质的进一步提纯，如图3所示。
4、本发明采用先膨化，后三价铁负载的改性方法，制得的改性废旧阴极炭比表面积大，孔隙结构发达，表面性能优异，尤其对砷、镉的吸附效果好。
5、本发明利用危险废物制成重金属吸附材料，既解决了铝电解工业危险废物废旧阴极的处理问题，又解决了重金属废水的治理问题。
本发明的改性方法很好地实现了铝电解槽废旧阴极的资源化利用，能将其有效利用在重金属废水处理领域。专利CN107376829A提出的一种载铁粉煤灰除砷吸附剂的制备方法中需要用到0.1-2mol/L氯化铁溶液，专利CN102872803A提出的一种铝改性秸秆生物质炭及其制备方法需要0.6mol/L的铝溶液，与现有的改性技术相比，本发明所采用的的铁离子溶液浸渍浓度极低，只需0.05mol/L就能完成改性处理，而且不需要将溶液调成碱性，在常温常压下即可完成。这是因为废旧阴极炭在电解槽运行过程中，由于长期高温及强电流的作用下已经高度石墨化，膨化过程扩大了石墨的层间距，同时增大了比表面积，使得铁离子更容易负载在废旧阴极炭上，从图5的EDS能谱可以看到铁元素均匀分布在材料上。铁改性对废旧阴极炭的吸附性能有显著的提升，对水溶液中的As(III)和Cd(Ⅱ)的吸附容量分别提高了467％和464％，而且改性材料耐酸性强，在pH＝2-10范围内都有良好的吸附性能。另外，铁离子溶液在起到负载改性的同时，对废旧阴极炭也有一定的提纯效果，因为废旧阴极中含有的Na3AlF6和CaF2等难溶性杂质能够溶解在铁离子溶液中，具体发生的反应如下所示，反应的吉布斯自由能如图7所示。
Figure BDA0002191936720000061
Figure BDA0002191936720000062
附图说明
图1为本发明改性废旧阴极炭的XRD图。
图2为废旧阴极炭处理前后的SEM图；其中a，b为预处理后废旧阴极的微观结构图，c，d为本发明改性废旧阴极炭的微观结构图。
其中a，b可以看出预处理前的颗粒结构较为紧密，表面粗糙，无明显孔隙结构；c，d为处理后的微观图，可以看出颗粒变成絮状或者海绵状，边缘处发生卷曲现象，有较多褶皱，碳层呈现一定程度的张烈和剥离，比表面积较大，这说明本发明能够改变废旧阴极浸出渣的微观结构，插层物质的插入使得碳层间距增大，改善了其孔隙结构特征。
图3为铝电解槽废旧阴极膨化处理前后的XRD图；
可以看出处理前的浸出渣杂质含量已经较低，主要物质为石墨化C，处理后C的相对含量进一步增加，说明处理过程中杂质得到了进一步的去除。
图4为探究KMnO4用量对As(III)和Cd(Ⅱ)吸附的具体影响。
图5为本发明改性废旧阴极炭的EDS能谱元素分布图。
图6为不同铁离子浓度改性得到的废旧阴极炭对砷的吸附量随pH的变化。
图7为难溶性氟化物与铁离子发生反应的吉布斯自由能随温度变化情况。
其中，两种反应的吉布斯自由能在所研究温度范围内均远小于0，意味着这两种反应为自发反应，均有可能发生。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明，但实施例并不用于限制本发明。
对比例1
取国内某厂铝电解槽废旧阴极炭块100g，采用去离子水-铁盐溶液两步浸出法溶出氟化物，进行无害化处理。具体过程如下：
废旧阴极经过破碎过60目后与水以液固比5mL/g混合，在30℃下浸出4h，水浸渣再与0.2mol/L的铁盐溶液以液固比10mL/g混合，添加0.48mol/L的H+促进浸出过程，在80℃下浸出30min，整个过程氟化物浸出率达88.5％，表1为铝电解槽废旧阴极浸出前后的元素组成，根据HJ/T 299-2007《固体废物浸出毒性浸出方法硫酸硝酸法》对浸出渣进行重金属和氟离子浸出实验，结果如表2所示。可以看出两步浸出法已成功实现废旧阴极无害化处理，浸出渣的氟离子浸出毒性结果远小于GB 5085.3-2007《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》标准的100mg/L。
表1废旧阴极浸出前后的元素组成
Figure BDA0002191936720000071
表2浸出渣毒性浸出性及相关标准
Figure BDA0002191936720000072
注：-：表示检测不出。
本发明要进行改性处理的浸出渣毒性浸出结果满足GB 5085.3-2007《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》，重金属浸出结果满足GB 8978-1996《污水综合排放标准》一级标准，氟化物浸出结果满足GB 8978-1996《污水综合排放标准》二级标准。证明处理对象不属于危险废物，重金属浸出量极低，不会对环境造成二次污染，成功改性后可应用到重金属处理行业。
设计正交试验，取一定量对比例1中得到的两步浸出法浸出渣，将铝电解槽废旧阴极浸出渣在反应前进行破碎球磨，其粒径小于100目的颗粒占所有颗粒总质量的90％。将颗粒与一定量的高锰酸钾和75％浓硫酸混合，在一定温度下搅拌30min，再静置30min，使得材料变得可膨胀后过滤。将可膨胀材料置于900℃的马弗炉中20s，实现瞬间膨胀后取出，自然冷却，得到类膨胀石墨材料。用去离子水反复冲洗类膨胀石墨材料，去除灰分和水溶性物质等杂质，在105℃下烘干2h后制得吸附材料。用该吸附材料处理5mg/L的As(III)溶液和Cd(Ⅱ)溶液，结果如表3所示。
表3以溶液中As(III)、Cd(Ⅱ)去除率为优化目标的L9(33)正交试验
Figure BDA0002191936720000081
通过正交试验结果得知KMnO4的用量对吸附材料的吸附效果影响最大，故接下来探究了KMnO4用量对As(III)和Cd(Ⅱ)吸附的具体影响。如图4所示，KMnO4用量越大，对重金属的吸附效果越好，考虑到经济效益，故选取0.55-0.85g/g为优选质量比。
实施例1
取一定量对比例1中得到的两步浸出法浸出渣，破碎混匀后收集得到备用颗粒，备用颗粒中粒径小于100目的颗粒占总颗粒质量的90％。将浸出渣与高锰酸钾以m(KMnO4)/m(浸出渣)＝0.25:1g/g混合，同时加入质量分数为98％的浓H2SO4，浸出渣与浓H2SO4的液固比为V(浓H2SO4)/m(浸出渣)＝3:1mL/g,在30℃下搅拌30min，再静置30min，使得材料变得可膨胀后过滤。将可膨胀材料置于900℃的马弗炉中20s，实现瞬间膨胀后取出，自然冷却，得到类膨胀石墨材料。滤液在补充适当KMnO4和浓H2SO4后可继续使用。用去离子水反复冲洗类膨胀石墨材料，去除灰分和水溶性物质等杂质，在105℃下烘干2h后制得吸附材料。其具体的比表面积及孔隙特征如表4所示。
表4吸附材料的孔隙结构特征
Figure BDA0002191936720000091
用该吸附材料处理5mg/L的As(III)溶液和Cd(Ⅱ)溶液，其对As(III)的去除率达到56.1％，对Cd(Ⅱ)的去除率达到48.8％，吸附性能相较于对比例1的浸出渣得到很大的提升，能够应用于重金属处理领域。
实施例2
取一定量对比例1中得到的两步浸出法浸出渣，破碎混匀后收集得到备用颗粒，备用颗粒中粒径小于100目的颗粒占总颗粒质量的80％。将浸出渣与高锰酸钾以m(KMnO4)/m(浸出渣)＝0.55:1g/g混合，同时加入质量分数为75％的浓H2SO4，浸出渣与浓H2SO4的液固比为V(浓H2SO4)/m(浸出渣)＝5:1mL/g,在30℃下搅拌30min，再静置30min，使得材料变得可膨胀后过滤。将可膨胀材料置于900℃的马弗炉中25s，实现瞬间膨胀后取出，自然冷却，得到类膨胀石墨材料。滤液在补充适当KMnO4和浓H2SO4后可继续使用。用去离子水反复冲洗类膨胀石墨材料，去除灰分和水溶性物质等杂质，在105℃下烘干2h后制得吸附材料。其具体的比表面积及孔隙特征如表5所示。
表5吸附材料的孔隙结构特征
Figure BDA0002191936720000092
用该吸附材料处理5mg/L的As(III)溶液和Cd(Ⅱ)溶液，其对As(III)的去除率达到82.6％，对Cd(Ⅱ)的去除率达到74.2％，吸附性能相较于对比例1的浸出渣得到很大的提升，能够应用于重金属处理领域。
实施例3
取一定量对比例1中得到的两步浸出法浸出渣，破碎混匀后收集得到备用颗粒，备用颗粒中粒径小于100目的颗粒占总颗粒质量的100％。将浸出渣与高锰酸钾以m(KMnO4)/m(浸出渣)＝0.85:1g/g混合，同时加入质量分数为75％的浓H2SO4，浸出渣与浓H2SO4的液固比为V(浓H2SO4)/m(浸出渣)＝3:1mL/g,在35℃下搅拌40min，再静置20min，使得材料变得可膨胀后过滤。将可膨胀材料置于900℃的马弗炉中20s，实现瞬间膨胀后取出，自然冷却，得到类膨胀石墨材料。滤液在补充适当KMnO4和浓H2SO4后可继续使用。用0.02mol/L的HCl溶液反复冲洗类膨胀石墨材料，去除灰分和水溶性物质等杂质，在105℃下烘干2h后制得吸附材料。其具体的比表面积及孔隙特征如表6所示。
表6吸附材料的孔隙结构特征
Figure BDA0002191936720000101
用该吸附材料处理5mg/L的As(III)溶液和Cd(Ⅱ)溶液，其对As(III)的去除率达到95.7％，对Cd(Ⅱ)的去除率达到78.4％，吸附性能相较于对比例1的浸出渣得到很大的提升，能够应用于重金属处理领域，而且尤其是高锰酸钾的用量增加，浓硫酸浓度适当稀释能够促进显著促进比表面积的增加，以及促进重金属去除率。但是本实施例制备的材料对水溶液中的As(III)和Cd(Ⅱ)的吸附容量分别达到4.10mg/g和1.21mg/g，从实用性上来看吸附性能一般，需对其继续进行改性提升表面性能后应用于重金属处理领域。
实施例4
用硝酸铁配制成0.05mol/L的Fe3+溶液，取实施例3中反复冲洗类膨胀石墨材料，去除灰分和水溶性物质等杂质后的材料，将其与Fe3+溶液混合，液固比为40:1，在30℃的恒温振荡箱中以200r/min的速度振荡改性24h。改性完成后过滤，滤液在补充适当铁盐后可返回改性步骤继续使用，滤渣用去离子水冲洗数次，至洗液为中性为止，在105℃下烘干2h后制得铁改性废旧阴极炭，洗液可反复使用多次。其具体的比表面积及孔隙特征如表7所示。
表7铁改性废旧阴极炭的孔隙结构特征
Figure BDA0002191936720000111
本发明制得的铁改性废旧阴极炭对水溶液中的As(III)和Cd(Ⅱ)的吸附容量分别达到15.97mg/g和4.21mg/g,吸附容量相较于实施例3分别提高了290％和248％，吸附性能优异，能够用于重金属处理领域。
实施例5
用硝酸铁配制成0.075mol/L的Fe3+溶液，取实施例3中反复冲洗类膨胀石墨材料，去除灰分和水溶性物质等杂质后的材料，将其与Fe3+溶液混合，液固比为30:1，在30℃的恒温振荡箱中以200r/min的速度振荡改性24h。改性完成后过滤，滤液在补充适当铁盐后可返回改性步骤继续使用，滤渣用去离子水冲洗数次，至洗液为中性为止，在105℃下烘干2h后制得铁改性废旧阴极炭，洗液可反复使用多次。其具体的比表面积及孔隙特征如表8所示。
表8铁改性废旧阴极炭的孔隙结构特征
Figure BDA0002191936720000112
本发明制得的铁改性废旧阴极炭对水溶液中的As(III)和Cd(Ⅱ)的吸附容量分别达到19.32mg/g和5.42mg/g，吸附容量相较于实施例3分别提高了371％和348％，吸附性能优异，能够用于重金属处理领域。
实施例6
用氯化铁配制成0.50mol/L的Fe3+溶液，取实施例3中反复冲洗类膨胀石墨材料，去除灰分和水溶性物质等杂质后的材料，将其与Fe3+溶液混合，液固比为20:1，在30℃的恒温振荡箱中以200r/min的速度振荡改性12h。改性完成后过滤，滤液在补充适当铁盐后可返回改性步骤继续使用，滤渣用去离子水冲洗数次，至洗液为中性为止，在105℃下烘干2h后制得铁改性废旧阴极炭，洗液可反复使用多次。其具体的比表面积及孔隙特征如表9所示。
表9铁改性废旧阴极炭的孔隙结构特征
Figure BDA0002191936720000121
本发明制得的铁改性废旧阴极炭对水溶液中的As(III)和Cd(Ⅱ)的吸附容量分别达到23.26mg/g和6.82mg/g,吸附容量相较于实施例3分别提高了467％和464％，吸附性能优异，能够用于重金属处理领域。随着浸渍改性过程中Fe3+溶液浓度的增加，改性废旧阴极炭的比表面积增大，孔隙结构变得更加发达，对重金属的吸附效果更好。另外，当调节溶液pH至碱性时，由于Fe3+的沉淀现象，虽然导致材料的比表面积降低，但是由于铁氧化物的吸附和氧化作用，增强了材料对重金属的处理效果。

Claims (14)

1.一种改性废旧阴极炭材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将铝电解槽废旧阴极进行无害化预处理；
（2）将预处理后的铝电解槽废旧阴极与Fe3+溶液混合，振荡改性；
（3）过滤后反复冲洗固体至洗液为中性，干燥后即得到铁改性废旧阴极炭；
所述的无害化预处理包括以下步骤：
步骤1：将铝电解槽废旧阴极浸出渣与氧化剂、插层剂质量分数 75%的H2SO4混匀搅拌反应，静置过滤；浸出渣与插层剂的液固比为插层剂/浸出渣= 3:1-5:1 mL/g；
步骤2：过滤后的固体材料进行高温膨化处理；
步骤3：冲洗高温膨化处理后的材料；
所述步骤1中铝电解槽废旧阴极浸出渣是水浸和铁盐浸出两步处理得到的浸出渣。
2.根据权利要求1所述的一种改性废旧阴极炭材料的制备方法，其特征在于：步骤1中氧化剂选用：KMnO4、K2Cr2O7、H2O2、CrO3中的一种或多种。
3.根据权利要求2所述的一种改性废旧阴极炭材料的制备方法，其特征在于：步骤1中氧化剂选用：KMnO4。
4.根据权利要求2所述的一种改性废旧阴极炭材料的制备方法，其特征在于：步骤1中浸出渣与氧化剂混合，质量比为氧化剂/浸出渣=0.05:1-2:1 g/g。
5.根据权利要求4所述的一种改性废旧阴极炭材料的制备方法，其特征在于：步骤1中浸出渣与氧化剂混合，质量比为氧化剂/浸出渣= 0.55:1-0.85:1 g/g。
6.根据权利要求1所述的一种改性废旧阴极炭材料的制备方法，其特征在于：步骤2中高温处理的温度为700-1000℃，时间为10-60 s。
7.根据权利要求1所述的一种改性废旧阴极炭材料的制备方法，其特征在于：步骤2中高温处理的温度为800-900 ℃，时间为20-30 s。
8.根据权利要求1所述的一种改性废旧阴极炭材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）中所述Fe3+溶液由含铁的硝酸盐、硫酸盐、氯化盐、草酸盐、醋酸盐、柠檬酸盐中的一种或多种配制而成。
9.根据权利要求8所述的一种改性废旧阴极炭材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）保持铁与预处理后的铝电解槽废旧阴极质量比为0.1:1-5:1 g/g。
10.根据权利要求9所述的一种改性废旧阴极炭材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）保持铁与预处理后的铝电解槽废旧阴极质量比为0.2:1-0.5:1 g/g。
11.根据权利要求1所述的一种改性废旧阴极炭材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）中预处理后的铝电解槽废旧阴极与Fe3+溶液混合，振荡改性6-48 h。
12.根据权利要求11所述的一种改性废旧阴极炭材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）中预处理后的铝电解槽废旧阴极与Fe3+溶液混合，振荡改性12-24 h。
13.一种改性废旧阴极炭材料，其特征在于，是由权利要求1-12任一项所述的方法制备获得的。
14.权利要求13所述的改性废旧阴极炭材料在处理重金属废水中的应用。
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