CN110627187B - 一种硫化改性零价铁复合材料的制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硫化改性零价铁复合材料的制备方法,包括以下步骤:(1)将黄铁矿和零价铁按一定质量比混合置于球磨罐中;(2)添加直径为3‑12mm的球磨珠与黄铁矿和零价铁混合均匀,无需助剂和气氛,直接干法球磨;(3)设置球磨转速为200‑800rpm,每次球磨5‑10min,暂停相同时间,更换球磨转向,依次循环3‑6次;(4)球磨结束后过100‑200目筛网,收集得到的硫化改性零价铁复合材料置于干燥器内储存。本发明所公开的方法制备工艺简单,成本低,对废水中重金属和氯代有机污染物有强化去除作用,具有大规模生产和工程应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及废水处理技术领域,特别涉及一种硫化改性零价铁复合材料的制备方法及应用。
背景技术
目前,无论是地表水或者是地下水,污染都非常严重,尤其是随着采矿、冶金、化工、电镀等行业的迅速发展,以及重金属事故性的排放或者大量化肥、农药的使用,导致水体中重金属污染问题日益严峻。重金属难以治理,它们在水体中有相当高的稳定性和难降解性,因此,水体经重金属污染后,会产生持久危害。六价铬(Cr(VI))被认为是对人体危害最大的化学物质之一,具有较高的毒性、可移动性以及难降解性。如果无法在源头得到控制,一旦排入水体将对人们生活环境造成严重的危害,所以研究如何去除含铬废水对环境治理具有非常重大的意义。
氯代有机物物是一类有机物中的氢原子被氯原子取代,以碳或烃为骨架与氯相结合的一系列元素有机化合物的总称。其脂溶性好,氯原子增多其化合物的可燃性降低。以不同的气、液、固态存在。广泛用于化学合成品的中间体、溶剂及农药等。溶剂散发物及其制品废弃物常进入大气与海洋,造成环境污染。氯乙烯单体四氯化碳、氯仿等对肝脏有很强的毒性,有些有致癌性。有些有机氯化合物在环境中非常稳定,如多氯联苯(PCD)、DDT和六六六等,自停止生产至今,在水体、底泥和生物体中仍可检测出较高的残留物。由于有脂溶性,在生物体内代谢缓慢,通过食物链浓缩、累积,主要是造成长期慢性毒性效应。在同系物中随氯原子的增多而毒性增强,并于其化学结构有关。对肝的损害方面脂肪族氯化物易引起脂肪肝,芳香族氯化物易导致以黄色肝萎缩为特征的病变。多数氯代烃不燃,但在火焰或加热时会分解,释出盐酸和剧毒的光气进入大气。
零价铁因为环境友好、无毒、廉价易得、含量丰富、还原性强等特点而受到研究学者的广泛关注,在水处理领域越来越受到重视。尽管零价铁技术已得到比较广泛的应用,但也存在着突出的缺点。比如纳米零价铁比表面积大、反应性高,但易团聚、易被氧化、选择性差,制备工艺复杂、费用昂贵,储备困难;微米铁易制备和储存,但反应性差、利用率低。零价铁硫化改性是目前较新兴的工程技术,能显著提高零价铁的反应性和对污染物的选择性,提高其利用率。目前湿法硫化改性居多,需较多的化学试剂,制备量少,无法大规模工程应用;干法硫化如球磨铁粉和硫粉也能起硫化强化作用,但因为硫粉自燃,须营造厌氧环境(如充氮气或氩气),成本较高。故亟需探索新的零价铁硫化制备工艺,既能保证材料的反应性,又能大规模生产,降低成本,并能满足污染治理工程技术的复合材料。
发明内容
为解决上述技术问题,本发明提供了一种硫化改性零价铁复合材料的制备方法及应用,采用地壳中分布最广的硫化物黄铁矿,廉价易得,且具有半导体性质,其未纯化,直接与零价铁机械球磨后制备的复合材料既能保证良好的反应性和选择性,对重金属和氯代有机污染物均有强化去除作用,对氯代有机物的去除增强作用尤其显著;同时又能简化制备和储存工艺,降低成本,能将其大规模生产并工程应用。
为达到上述目的,本发明的技术方案如下:
一种硫化改性零价铁复合材料的制备方法,包括以下步骤:
(1)将黄铁矿和零价铁按一定质量比混合置于球磨罐中;
(2)添加直径为3-12mm的球磨珠与黄铁矿和零价铁混合均匀,无需助剂和气氛,直接干法球磨;
(3)设置球磨转速为200-800rpm,每次球磨5-10min,暂停相同时间,更换球磨转向,依次循环3-6次;
(4)球磨结束后过100-200目筛网,收集得到的硫化改性零价铁复合材料置于干燥器内储存。
上述方案中,所述黄铁矿和零价铁的质量比为1:(1-10)。
上述方案中,球磨前的零价铁为微米级零价铁,粒径为50-500目。
上述方案中,球磨前的黄铁矿为毫米级颗粒,未经纯化,粒径为5-20目。
上述方案中,硫化复合材料的制备在室温20±2℃条件下进行。
上述方案中,硫化改性零价铁复合材料储存于干燥器内的氮气含量为80-95%。
上述方案中,硫化改性零价铁复合材料储存于干燥器内的湿度为2-10%。
一种硫化改性零价铁复合材料在去除重金属或含氯有机物废水中的应用。
上述方案中,硫化改性零价铁复合材料在废水中的投加量为0.4-1.2g/L,废水pH为3-10,废水中含电解质为硫酸钠、氯化钠、醋酸-醋酸钠缓冲液或MES生物缓冲液中的一种或几种,废水为缺氧条件,氧气在废水中含量为0-8mg/L。
上述方案中,硫化改性零价铁复合材料在废水中所需翻转转数为90-150rpm,温度为20-30℃,在水中停留时间为1-2小时。
通过上述技术方案,本发明提供的一种硫化改性零价铁复合材料的制备方法具有如下有益效果:
1、本发明代替传统的湿法制备硫化零价铁的方法,使用机械球磨黄铁矿和微米零价铁制备硫化后的复合材料,可增强材料的利用率和对污染物的选择性,提高零价铁的应用前景。
2、本发明使用机械球磨法制备的复合材料均能强化对重金属或含氯有机污染物的降解,且有较宽的pH工作带,有较好的普适性。
3、本发明使用的黄铁矿为自然矿物,无需纯化,廉价易得,成本较低,经济性好。
4、本发明制备工艺简单,耗时短,易实现大规模生产应用,具有更实际的工程应用前景。
5、本发明将黄铁矿和零价铁球磨过程中会发生化学反应,使得硫化铁表面产生片层结构,FexSy片层结构使其与铁核结合更加紧密,能更充分发挥其导电子的能力,使铁释放更多电子,增强对污染物的去除。与现有技术中的铁粉和黄铁矿分别球磨,将黄铁矿纯化分别投入废水中去除氯霉素相比,本发明的去除效果更好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为球磨后材料除含重金属废水动力学曲线图(以Cr(VI)为例);
图2为球磨后材料除有机废水动力学曲线图(以氯霉素CAP为例);
图3为球磨材料在酸性条件降解CAP动力学(以pH=3±0.2为例);
图4为球磨材料在偏中性条件降解CAP动力学(以pH=6±0.2为例);
图5为球磨材料在碱性性条件降解CAP动力学(以pH=9.5±0.2为例);
图6为零价铁和黄铁矿分别球磨后混合的SEM图像;
图7为零价铁和黄铁矿混合后球磨的SEM图像。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
制备例1:
本实施例提供一种硫化改性零价铁复合材料的制备方法。
室温为20±2℃,按质量比(此例黄铁矿:铁粉=1:9)各称取适量的黄铁矿(10目)和零价铁粉(200目)混合,添加9mm氧化锆球磨珠,置于100mL内衬氧化锆球磨罐,设置球磨转数为600rpm,球磨10min后暂停10min,更换方向再次球磨,循环三次,共计球磨30min后取出,过100目筛网收集于离心管置于干燥器内储存。干燥器内的氮气含量为85%,湿度为10%。
实施例2:
本实施例使用制备例1所制备的复合材料提供在缺氧条件下降解重金属Cr(VI)的水处理方法。
室温为18℃,向250ml反应瓶中加入250ml醋酸-醋酸钠缓冲溶液,控制其pH在5.5-6.5之间,加入1mL 5mg/ml的Cr(VI)储备液,制备浓度为20mg/L的人工合成Cr(VI)废水,取样1.5mL,再各加0.3g球磨后铁粉(Fe0bm)、黄铁矿(FeS2 bm)、铁粉与黄铁矿混合((Fe0+FeS2)bm),超声反应10min后,再将反应瓶置于120rpm、25℃条件下的翻转振荡器内缺氧反应1小时,氧气在废水中含量为2mg/L。
结果如图1所示,60min内反应效果为(Fe0+FeS2)bm>FeS2 bm>Fe0bm,反应结束前符合伪一级动力学,即有(Fe0+FeS2)bm、FeS2 bm、Fe0bm速率常数分别为0.652、0.264、0.067,混合球磨显著增强了其反应性。
实施例3:
本实施使用制备例1所制备的复合材料提供在缺氧条件下降解高浓度有机氯代物CAP的水处理方法。
室温为18℃,向250ml反应瓶中加入250ml去离子水,8mM Na2SO4电解质,稀硫酸调节pH使其pH在3±0.2,加入0.5mL 50mg/ml的CAP储备液,制备浓度为100mg/L的人工合成CAP有机废水,取样1.5mL,再各加0.1g球磨后铁粉(Fe0bm)、黄铁矿(FeS2 bm)、铁粉与黄铁矿混合((Fe0+FeS2)bm),将反应瓶置于120rpm、25℃条件下的翻转振荡器内缺氧反应1.5小时,氧气在废水中含量为8mg/L。
结果如图2所示,90min内有(Fe0+FeS2)bm、Fe0bm、FeS2 bm去除率分别为60%、28%、0%,反应效果为(Fe0+FeS2)bm>Fe0bm>FeS2 bm,混合球磨显著增强了其反应性。
实施例4:
本实施使用制备例1所制备的复合材料提供在缺氧条件下不同环境pH(酸性、偏中性、碱性)降解有机氯代物CAP的水处理方法。
室温为18℃,向250ml反应瓶中加入250ml去离子水,8mM Na2SO4电解质,稀硫酸、氢氧化钠溶液调节pH使其pH在3±0.2(酸性)、6±0.2(偏中性)、9.5±0.2(碱性),加入0.2mL50mg/ml的CAP储备液制备浓度为40mg/L的人工合成CAP有机废水,取样1.5mL,再各加0.1g球磨后铁粉(Fe0bm)、铁粉与黄铁矿混合球磨((Fe0+FeS2)bm),中性条件下新增球磨后的黄铁矿(FeS2 bm)和铁粉与黄铁矿球磨后混合(Fe0bm+FeS2 bm)作为对比。将反应瓶置于120rpm、25℃条件下的翻转振荡器内缺氧反应2小时,氧气在废水中含量为5mg/L。
在酸性条件下,如图3所示,120min内有(Fe0+FeS2)bm、Fe0bm去除率分别为90%、44%,反应效果为(Fe0+FeS2)bm>Fe0bm。
在偏中性条件下,如图4所示,120min内有(Fe0+FeS2)bm、Fe0bm+FeS2 bm、Fe0bm、FeS2 bm去除率分别为99.6%、80.6%、20.5%、0.5%。
Fe0 bm+FeS2 bm反应性较好,显著高于Fe0bm与FeS2 bm单独反应的去除率,可能是因为球磨后FeS2粒径较小,极易吸附于Fe0颗粒表面,易传导电子,增加污染物去除。但Fe0与FeS2混合后球磨(Fe0+FeS2)bm反应性优于球磨后两者再混合效果Fe0bm+FeS2 bm,前者能产生原位的FexSy,有更好的电子传递性。故球磨黄铁矿和铁粉后,拓宽了铁降解CAP的pH工作范围,强化作用明显。如图6所示的球磨后两者再混合Fe0bm+FeS2 bm的SEM图像,图7为将两者混合后再球磨的SEM图像,可以看出,混合后球磨表面存在原生的片层结构,FeS2与Fe0球磨过程中发生化学反应,产生FexSy片层结构,使其与铁核结合更加紧密,能更充分发挥其导电子的能力,使铁释放更多电子,增强对污染物的去除。
在碱性条件下,如图5所示,120min内有(Fe0+FeS2)bm、Fe0bm去除率分别为45%、1%;在不同pH条件下,反应效果均为(Fe0+FeS2)bm>Fe0bm。
对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1.一种硫化改性零价铁复合材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)将黄铁矿和零价铁按1:9的质量比混合置于球磨罐中;
(2)添加直径为3-12mm的球磨珠与黄铁矿和零价铁混合均匀,无需助剂和气氛,直接干法球磨;
(3)设置球磨转速为200-800rpm,每次球磨5-10min,暂停相同时间,更换球磨转向,依次循环3-6次;
(4)球磨结束后过100-200目筛网,收集得到的硫化改性零价铁复合材料置于干燥器内储存;
黄铁矿和零价铁在球磨过程中会发生化学反应,使得硫化铁表面产生片层结构FexSy。
2.根据权利要求1所述的一种硫化改性零价铁复合材料的制备方法,其特征在于,球磨前的零价铁为微米级零价铁,粒径为50-500目。
3.根据权利要求1所述的一种硫化改性零价铁复合材料的制备方法,其特征在于,球磨前的黄铁矿为毫米级颗粒,未经纯化,粒径为5-20目。
4.根据权利要求1所述的一种硫化改性零价铁复合材料的制备方法,其特征在于,硫化复合材料的制备在室温20±2℃条件下进行。
5.根据权利要求1所述的一种硫化改性零价铁复合材料的制备方法,其特征在于,硫化改性零价铁复合材料储存于干燥器内的氮气含量为80-95%。
6.根据权利要求1所述的一种硫化改性零价铁复合材料的制备方法,其特征在于,硫化改性零价铁复合材料储存于干燥器内的湿度为2-10%。
7.一种如权利要求1所述的制备方法制得的硫化改性零价铁复合材料在去除重金属或含氯有机物废水中的应用。
8.根据权利要求7所述一种硫化改性零价铁复合材料在去除重金属或含氯有机物废水中的应用,其特征在于,硫化改性零价铁复合材料在废水中的投加量为0.4-1.2g/L,废水pH为3-10,废水中含电解质为硫酸钠、氯化钠、醋酸-醋酸钠缓冲液或MES生物缓冲液中的一种或几种,废水为缺氧条件,氧气在废水中含量为0-8mg/L。
9.根据权利要求7所述一种硫化改性零价铁复合材料在去除重金属或含氯有机物废水中的应用,其特征在于,硫化改性零价铁复合材料在废水中所需翻转转数为90-150rpm,温度为20-30℃,在水中停留时间为1-2小时。
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