纳米零价铁复合材料的制备方法及其应用技术

本发明专利技术涉及纳米零价铁复合材料及其的制备方法。所述的制备方法是先制备玉米秸秆生物炭，生物炭用硝酸浸泡改性，洗涤至中性后烘干备用；在氮气环境中用液相还原法将FeSO

Method for preparing nano zero valent iron composite material and application thereof

The invention relates to a nano zero valent iron composite material and a preparation method thereof. The preparation method is that the corn stalk biological carbon is prepared first, the biological carbon is soaked by nitric acid, modified, washed to neutral, and then dried, and the FeSO is recovered by liquid phase reduction in a nitrogen environment

【技术实现步骤摘要】
纳米零价铁复合材料的制备方法及其应用
本专利技术涉及水处理和材料制备领域，特别是一种纳米零价铁复合材料的制备方法及其在修复水体中重金属铅的应用。
技术介绍
铅是一种典型的重金属污染物，有较强毒性。铅会影响植物细胞新陈代谢，危害人体器官和中枢神经系统，特别是对儿童健康和智力发育危害最大。地下水是水资源的重要组成部分，近年来，随着铅污染事件的增多，铅污染地下水修复势在必行。吸附法是去除水体中重金属研究最多的方法之一，但常用吸附剂成本高、再生困难，因此，研究和开发成本低、吸附效率高、环境友好的新型吸附剂是当下研究的热点。金属纳米颗粒复合材料具有许多异于本体物质的独特物理、化学性质，在许多基础研究及应用领域中得到广泛关注，成为国内外环保领域研究的热点。纳米零价铁（以下简称为：纳米铁，NZVI）主要指粒径为1-100nm的零价铁粒子，是一种高效还原性修复材料。相比于普通零价铁，纳米铁粒径小，表面积大、表面能大，具有更高的反应活性、强还原性及吸附性，同时还保持了零价铁的化学特性，可有效处理一些有机污染物及无机盐、重金属等无机污染物，将纳米零价铁用于水污染的治理是一种新的污染控制技术。然而，高活性的纳米零价铁颗粒比表面积大、反应活性强、容易氧化，稳定性差，且由于粒径微小表面能较大及颗粒间的磁力作用，导致其极易团聚，使纳米零价铁颗粒尺寸变大、失去许多基于小尺寸的纳米特性，反应活性降低，影响其实际应用价值。
技术实现思路
本专利技术提供一种纳米零价铁复合材料及其制备方法，并采用该纳米零价铁复合材料修复地下水中铅，以至少达到提高水体中铅修复效率的目的。为解决以上技术问题，根据本专利技术的一方面，一种纳米零价铁复合材料的制备方法，包括步骤：步骤一：将玉米秸秆粉碎，烘干，置于厌氧管式炉中，在氮气氛围下，100℃下炭化0.8-1.2小时，400℃下炭化3-4h，热解冷却后研磨粉碎，制成粉末状生物炭。步骤二：将粉末状生物炭用硝酸溶液改性，反应体系温度为75-85℃；用超纯水洗涤至中性后，于70-80℃下烘干，备用；步骤三：在氮气环境下，称取FeSO4•7H2O溶于乙醇水溶液中，将此硫酸亚铁溶液和生物炭粉末置于反应容器内，通入氮气并在搅拌下混合均匀；然后，加入分散剂聚乙烯吡咯烷酮（PVP）试剂改性纳米零价铁，最后，用分液漏斗逐滴加入新鲜制备的KBH4试剂水溶液；其中，生物炭和FeSO4•7H2O的质量比为1:1，PVP和FeSO4•7H2O的质量比控制在（0.5-2）:1，加入KBH4和FeSO4的摩尔比控制在（5-6）:1。步骤四：完成滴加工作后，继续在氮气保护下搅拌，静置，分离得到生物炭负载纳米零价铁复合材料。进一步地，在所述步骤二中，硝酸溶液的体积分数为10%、20%、30%。进一步地，在所述步骤三中，先将FeSO4•7H2O溶解在超纯水中，再加入无水乙醇，无水乙醇和水的体积比为4:1，所用的超纯水在使用前用氮气吹脱处理。进一步地，在所述步骤四中，分离得到的生物炭负载纳米零价铁复合材料用超纯水和无水乙醇交替洗涤，65-75℃真空条件下烘干，保存在棕色瓶中，其中，超纯水溶液和无水乙醇溶液均经过脱氧处理。根据本专利技术的另一方面，提供了一种纳米零价铁复合材料，它由上述方法制得。根据本专利技术的另一发面，纳米零价铁复合材料修复水体中铅的方法，其特征在于：将所述的生物碳负载纳米零价铁复合材料投加入含铅水体中，该水体中Pb2+的初始浓度为5-15mg/L，投加量为0.5g/L。根据本专利技术的又一方面，本专利技术提供了一种模拟地下水除铅的有机玻璃反应柱装置，包括有机玻璃反应柱，反应柱的顶部和底部分别设有出水口和进水口，进水口连接蠕动泵，反应柱的中间部分填充反应介质，所述的反应介质采用所述纳米零价铁复合材料，反应介质4两侧分别依次铺设d<0.5mm的细砂5和0.5mm<d<1.0mm的粗砂6。本专利技术采用玉米秸秆生物炭吸附纳米零价铁复合材料（NZVI/BC）高效修复地下水中的重金属铅，这种复合材料以生物炭为载体，能较好解决纳米铁颗粒在使用过程中团聚和活性降低的问题，在修复实践中不会产生二次污染，并且复合材料能同时发挥生物炭和纳米零价铁的特性，提高地下水中污染物的去除率和材料的回收利用性。在构建的有机玻璃模拟反应柱中，模拟地下水中铅的去除实验，去除率均能达到90%以上。附图说明图1为本专利技术所制的生物炭的扫描电镜图。图2为本专利技术所制得纳米零价铁的扫描电镜图。图3为本专利技术所制的复合材料的扫描电镜图。图4为不同NZVI/BC投加量对铅的去除效果图。图5为初始污染物浓度对NZVI/BC去除铅的影响。图6为初始pH对NZVI/BC去除铅的影响。图7为初始DO对NZVI/BC去除铅的影响。图8有机玻璃反应柱装置图。图中，1-反应柱，2-出水口，3-进水口，4-反应介质，5-细砂，6-粗砂。具体实施方式由于纳米零价铁颗粒极易团聚，使得颗粒尺寸变大、失去许多基于小尺寸的纳米特性，反应活性降低。国内外研究多将纳米零价铁负载于蒙脱石、膨润土、活性炭、树脂等载体上增强其分散性，但有关以生物炭为载体的报道较少，特别是在去除水体中铅离子的应用中还未见报道。生物炭（biochar）是指生物质、化石燃料等原材料在限氧条件下经高温慢热解（通常<700℃）所产生的稳定的、高度芳香化的富含碳素的固体物质。从微观结构上看，生物炭多数是由紧密堆积、高度扭曲的芳香环片层组成，多孔性特征显著。相比其他载体，生物炭具有管状多孔结构和较大的比表面积，易于纳米零价铁颗粒的分散。以生物炭为载体负载纳米零价铁，具有良好的工程应用前景，基于此，本专利技术提供一种生物炭负载纳米零价铁复合材料及其制备方法，该复合材料用于水体中铅修复可明显提高效率。以下内容中的NZVI是指纳米零价铁颗粒，NZVI/BC是指生物炭负载纳米零价铁复合材料。在本专利技术一种典型的实施方式中，纳米零价铁复合材料的的制备方法，包括步骤：步骤一：将玉米秸秆粉碎，烘干，置于厌氧管式炉中，在氮气氛围下，100℃下炭化0.8-1.2小时，400℃下炭化3-4h，热解冷却后研磨粉碎，制成粉末状生物炭。步骤二：将粉末状生物炭用硝酸溶液改性，反应体系温度为75-85℃；用超纯水洗涤至中性后，于70-80℃下烘干，备用；步骤三：在氮气环境下，称取FeSO4•7H2O溶于乙醇水溶液中，将此硫酸亚铁溶液和生物炭粉末置于反应容器内，通入氮气并在搅拌下混合均匀；然后，加入分散剂聚乙烯吡咯烷酮（PVP）试剂改性纳米零价铁，最后，用分液漏斗逐滴加入新鲜制备的KBH4试剂水溶液；其中，生物炭和FeSO4•7H2O的质量比为1:1，PVP和FeSO4•7H2O的质量比控制在（0.5-2）:1，加入KBH4和FeSO4的摩尔比控制在（5-6）:1。步骤四：完成滴加工作后，继续在氮气保护下搅拌，静置，分离得到生物炭负载纳米零价铁复合材料。在以上实施方式中，本专利技术负载生物炭采用玉米秸秆制备，并用硝酸进行了改性处理。生物炭用硝酸改性，不但能有效降低生物炭灰分和pH，而且能增加生物炭表面酸性官能团数量和中孔比例，利于负载更多的纳米零价铁和溶液中Pb2+的去除。其次，采用了两步炭化法（100℃、400℃），该低温段生物炭预炭化处理工艺能显著提高生物炭产率；再次，纳米零价铁本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纳米零价铁复合材料的制备方法，其特征在于包括步骤：步骤一：将玉米秸秆粉碎，烘干，置于厌氧管式炉中，在氮气氛围下，100℃下炭化0.8‑1.2小时，400℃下炭化3‑4h，热解冷却后研磨粉碎，制成粉末状生物炭;步骤二：将粉末状生物炭用硝酸溶液改性，反应体系温度为75‑85℃；用超纯水洗涤至中性后，于70‑80℃下烘干，备用；步骤三：在氮气环境下，称取FeSO

【技术特征摘要】
1.一种纳米零价铁复合材料的制备方法，其特征在于包括步骤：步骤一：将玉米秸秆粉碎，烘干，置于厌氧管式炉中，在氮气氛围下，100℃下炭化0.8-1.2小时，400℃下炭化3-4h，热解冷却后研磨粉碎，制成粉末状生物炭;步骤二：将粉末状生物炭用硝酸溶液改性，反应体系温度为75-85℃；用超纯水洗涤至中性后，于70-80℃下烘干，备用；步骤三：在氮气环境下，称取FeSO4•7H2O溶于乙醇水溶液中，将此硫酸亚铁溶液和生物炭粉末置于反应容器内，通入氮气并在搅拌下混合均匀；然后，加入分散剂聚乙烯吡咯烷酮（PVP）试剂改性纳米零价铁，最后，用分液漏斗逐滴加入新鲜制备的KBH4试剂水溶液；其中，生物炭和FeSO4•7H2O的质量比为1:1，PVP和FeSO4•7H2O的质量比控制在（0.5-2）:1，加入KBH4和FeSO4的摩尔比控制在（5-6）:1;步骤四：完成滴加工作后，继续在氮气保护下搅拌，静置，分离得到生物炭负载纳米零价铁复合材料。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在所述步骤二中，硝酸溶液的体积分数为10%、20%、30%。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：在所述步骤三中...

【专利技术属性】
技术研发人员：史晓凯，刘利军，党晋华，韩文辉，颜道浩，白雪梅，李磊，
申请(专利权)人：山西省环境科学研究院，
类型：发明
国别省市：山西,14