一种碳基零价铁材料的制备方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种碳基零价铁材料的制备方法及其应用。这种碳基零价铁材料包括载体和负载物，载体为三聚氰胺泡沫碳或聚氨酯泡沫碳，负载物为零价铁。这种材料的制备方法包括以下步骤：1)将三聚氰胺泡沫或聚氨酯泡沫进行碳化，得到泡沫碳；2)将泡沫碳浸渍铁盐溶液，然后进行还原反应可得。同时还公开了该材料在污水脱氮中的应用。本发明专利技术采用商业化泡沫塑料作为前驱体高温碳化制备泡沫碳材料，并以此碳材料作为零价铁的负载材料。此材料具有空间三维结构，且质量超轻，孔隙率高，电子传导性好，有利于零价铁附着，反应过程中有利于电子传导，在水处理过程中处理效率高，可作为生物反应池填料使用，充分利用零价铁及生物法水处理优势。

Preparation and application of a carbon based zero valent iron material

【技术实现步骤摘要】
一种碳基零价铁材料的制备方法及其应用
本专利技术涉及污水处理
，特别是涉及一种碳基零价铁材料的制备方法及其应用。
技术介绍
硝态氮污染是世界上最严重的环境污染问题之一。当前主流污水处理工艺中，硝态氮的去除主要依赖反硝化工艺的微生物的代谢，硝态氮到N2的转化过程由系列的电子转移步骤构成，需要电子供体以维持反硝化脱氮效率。零价铁电负性低，还原能力强价格低廉、来源丰富、环境相容性好，在降解、去除环境中有机和无机污染物方面已引起广泛关注。早在上世纪九十年代初，欧美等发达国家已通过建立零价铁为填充物的可渗透反应墙来修复地下水，目前已经达到示范应用阶段。然而，此反应虽然去除了硝态氮，但其含氮产物铵态氮同样是污染物，背离了水处理的预期目标。对于零价铁与硝酸根反应，热力学上更为有利的产物是N2，也是我们期望的环境友好、无需二次处理的可直接排放的终产物。现有零价铁制备方法有高温还原，球磨法，硼氢化钠湿法还原，负载材料一般有瓷球，硅藻土等矿物和活性炭，生物碳等。有研究者尝试通过零价铁改性，反应条件优化，与沸石、活性炭等物料混合等方式减少或避免NH4+的产生，其中最有工程应用前景的是零价铁与微生物的耦合工艺。零价铁可作为生物反硝化的电子供体，避免外加碳源；生物反硝化可定向将硝态氮转化为氮气。二者的结合一方面摆脱了生物反硝化对碳源的依赖，另一方面抑制了零价铁单独还原硝态氮过程中氨氮的产生，从而有望实现有效的硝态氮定向转化。现有负载零价铁生物填料，主要有两种，一种为聚合物负载零价铁，聚合物提供大比表面积及多孔性能。但聚合物一般为绝缘体不导电，无法进行电子传递，不参与水处理过程中的生物及化学反应，其仅作为支撑材料。另一种为生物碳负载零价铁，碳材料具有电子传导性能，可在生物及化学反应过程中起电子传递作用，但生物炭不易大规模收集制备，且不易控制孔径形貌，不同批次的性能差异较大。
技术实现思路
为了克服现有技术零价铁类污水处理材料存在的问题，本专利技术的目的之一在于提供一种碳基零价铁材料，本专利技术的目的之二在于提供这种碳基零价铁材料的制备方法，本专利技术的目的之三在于提供这种碳基零价铁材料的应用。本专利技术的专利技术构思如下：本专利技术利用商业化的泡沫塑料作为前驱体，制备三维泡沫碳材料，再利用化学还原将零价铁负载于泡沫碳上，所制备的零价铁/泡沫碳材料可单独用于污水脱氮工艺也可以用于生物脱氮处理填料。为了实现上述目的，本专利技术所采取的技术方案是：本专利技术提供了一种碳基零价铁材料。这种碳基零价铁材料包括载体和负载物；其中，载体为三聚氰胺泡沫碳或聚氨酯泡沫碳；负载物为零价铁。优选的，这种碳基零价铁材料中，负载物的负载量为载体质量的5％～50％；进一步优选的，负载物的负载量为载体质量的8％～15％。本专利技术提供了上述这种碳基零价铁材料的制备方法。一种碳基零价铁材料的制备方法，包括以下步骤：1)将三聚氰胺泡沫或聚氨酯泡沫进行碳化，得到泡沫碳；2)将泡沫碳浸渍铁盐溶液，然后将浸渍铁盐的泡沫碳材料进行还原反应，得到碳基零价铁材料。这种碳基零价铁材料制备方法的步骤1)中，三聚氰胺泡沫或聚氨酯泡沫均为含有胺重复单元的聚合物材料。本专利技术所用的三聚氰胺泡沫或聚氨酯泡沫均属于商业化的泡沫塑料，可由常规的商业途径购买得到。优选的，步骤1)中选用三聚氰胺泡沫。优选的，这种碳基零价铁材料制备方法的步骤1)中，碳化的反应条件如下：升温速率(从室温加热升至碳化终温的速率)为3℃/min～6℃/min；碳化终温为500℃～1000℃；在碳化终温维持的时间为0.5h～3h；碳化在无氧氛围下进行；进一步优选的，碳化的升温速率为5℃/min；碳化终温为850℃～950℃；在碳化终温维持的时间为0.8h～1.2h；无氧氛围为惰性气体或者氮气氛围。优选的，这种碳基零价铁材料制备方法的步骤2)中，将泡沫碳浸渍铁盐溶液具体是将泡沫碳和铁盐溶液混合摇晃；摇晃是置于摇床中，在150r/min～200r/min下摇晃3h～6h；摇晃在室温下进行即可，如20℃～25℃。这种碳基零价铁材料制备方法的步骤2)中，铁盐溶液的铁盐为三价铁盐或二价铁盐。优选的，铁盐溶液的铁盐选自氯化铁(FeCl3)、硫酸铁(Fe2(SO4)3)、硝酸铁(Fe(NO3)3)、氯化亚铁(FeCl2)、硫酸亚铁(FeSO4)、硝酸亚铁(Fe(NO3)2)中的至少一种。这些铁盐可以是水合盐，也可以是非水合盐。在一些优选的实施方式中，铁盐为氯化铁。优选的，这种碳基零价铁材料制备方法的步骤2)中，铁盐溶液的铁盐浓度为0.1mol/L～0.5mol/L；进一步优选的，铁盐溶液的铁盐浓度为0.15mol/L～0.25mol/L。优选的，这种碳基零价铁材料制备方法的步骤2)中，泡沫碳与铁盐中Fe的质量比为1：(20～100)；进一步优选的，泡沫碳与铁盐中Fe的质量比为1：(30～50)。优选的，这种碳基零价铁材料制备方法的步骤2)中，泡沫碳与铁盐溶液的用量比为1g：(2～5)L；进一步优选的，泡沫碳与铁盐溶液的用量比为1g：(3～4)L。优选的，这种碳基零价铁材料制备方法的步骤2)中，还原反应为加热还原反应或者硼氢化物湿法还原反应。当步骤2)所述的还原反应为加热还原反应时，加热还原反应具体是：在无氧氛围下，将浸渍铁盐溶液后的泡沫碳材料加热至300℃～500℃，反应1h～3h；优选的，无氧氛围为惰性气体或者氮气氛围；加热的温度为330℃～370℃；反应的时间为1.5h～2.5h。优选的，在加热还原反应之前，还包括将浸渍铁盐溶液后的泡沫碳材料干燥的步骤；干燥优选的方式是将浸渍铁盐溶液后的泡沫碳材料用氮气吹干。当步骤2)所述的还原反应为硼氢化物湿法还原反应时，硼氢化物湿法还原反应具体是：将浸渍铁盐溶液后的泡沫碳材料与硼氢化物溶液混合，进行反应。优选的，硼氢化物湿法还原反应中，混合反应的时间为20min～60min；最优选的，硼氢化物湿法还原反应的时间为30min。优选的，硼氢化物湿法还原反应中，硼氢化物选自硼氢化钠(NaBH4)、硼氢化钾(KBH4)中的至少一种。优选的，硼氢化物湿法还原反应中，硼氢化物溶液的硼氢化物浓度为1mol/L～1.5mol/L；进一步优选的，硼氢化物溶液的硼氢化物浓度为1.1mol/L～1.3mol/L。优选的，硼氢化物湿法还原反应中，铁盐中Fe与硼氢化物溶液中硼氢化物的摩尔比为1：(5～7)；最优选的，铁盐中Fe与硼氢化物溶液中硼氢化物的摩尔比为1：6。优选的，硼氢化物湿法还原反应后，还包括将产物洗涤，干燥的步骤；进一步优选的，在硼氢化物湿法还原反应后，将产物依次用水和乙醇清洗，再用氮气吹20min～40min，然后置于真空干燥箱中在50℃～70℃下干燥10h～15h；再进一步优选的，在硼氢化物湿法还原反应后，将产物依次用无氧水和无水乙醇清洗，再用氮气吹30min，然后置于真空干燥箱中在60℃下干燥12h。经洗涤、干燥后，得到最终的碳基零价铁产品。...

【技术保护点】
1.一种碳基零价铁材料，其特征在于：包括载体和负载物；所述的载体为三聚氰胺泡沫碳或聚氨酯泡沫碳；所述的负载物为零价铁。/n

【技术特征摘要】
1.一种碳基零价铁材料，其特征在于：包括载体和负载物；所述的载体为三聚氰胺泡沫碳或聚氨酯泡沫碳；所述的负载物为零价铁。


2.根据权利要求1所述的碳基零价铁材料，其特征在于：所述负载物的负载量为载体质量的5％～50％。


3.一种权利要求1所述碳基零价铁材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)将三聚氰胺泡沫或聚氨酯泡沫进行碳化，得到泡沫碳；
2)将泡沫碳浸渍铁盐溶液，然后将浸渍铁盐的泡沫碳材料进行还原反应，得到碳基零价铁材料。


4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中，碳化的反应条件如下：升温速率为3℃/min～6℃/min；碳化终温为500℃～1000℃；在碳化终温维持的时间为0.5h...

【专利技术属性】
技术研发人员：王川，丁泉月，尹兰燕，阮锋，王平山，苏培洋，
申请(专利权)人：广州大学，
类型：发明
国别省市：广东;44