一种氮掺杂零价铁复合材料的制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种氮掺杂零价铁复合材料的制备方法及应用，该方法包括在惰性气体氛围下，将含氮化合物粉末和铁粉按质量比1:9～125混合后球磨，球磨结束后，得到氮掺杂零价铁复合材料；所述含氮化合物为三聚氰胺、尿素、氮化铁或双氰胺。本发明专利技术将含氮化合物粉末和铁粉进行球磨，得到的复合材料的表面会生成吡啶氮，吡咯氮和石墨氮，并与铁进行配位形成铁氮化物，能克服零价铁材料在修复过程中的钝化问题，对含氯有机污染物和重金属污染物的去除效率较高。

【技术实现步骤摘要】
一种氮掺杂零价铁复合材料的制备方法及应用
本专利技术涉及环境化学
，尤其涉及一种氮掺杂零价铁复合材料的制备方法及应用。
技术介绍
零价铁作为一种具有前景的地下水修复材料，得到了国内外的广泛关注和深入研究。由于其来源丰富，价格低廉，具有较强的还原性，从而被广泛应用于降解和去除环境中的有机和无机污染物。然而，零价铁在实际工程应用过程中也存在着许多缺陷，如纳米零价铁的强磁性和高表面能会使其聚齐成大颗粒，进而使得部分活性位点不能有效释放，活性成分的利用率低；同时，零价铁表面的致密氧化膜会大大阻碍活性成分与目标污染物的接触，从而降低零价铁活性。为了克服上述单纯零价铁在实际应用中的缺陷，国内外学者不断探索对零价铁表面进行修饰或以其为基础合成复合材料。Zhang等人将贵金属(铂、钯、银等)负载到零价铁上，形成双金属材料[Treatmentofchlorinatedorganiccontaminantswithnanoscalebimetallicparticles.Catal.Today.1998,40(4),387-395.]，虽然大大提升了零价铁降解有机污染物的速率。但铂、钯、银成本高昂，且一旦流失到环境介质中极易引起二次污染。近年来，硫掺杂已逐渐成为新型的零价铁改性方式，研究表明，硫掺杂后形成的铁硫化物可大幅度促进零价铁对污染物的降解活性。有研究人员报道(Mechanochemicallysulfidatedmicroscalezerovalentiron:Pathways,kinetics,mechanism,andefficiencyoftrichloroethylenedechlorination.Environ.Sci.Technol.2017,51(21),12653-12662.)，以零价铁(400目)和单质硫为原料，通过机械球磨合成了微米级的硫化零价铁。该方法制得的硫化零价铁不仅能克服原料的高成本缺陷，而且微米级的材料便于运输和保存，更易于实际应用。但此方法制备的硫化零价铁对三氯乙烯虽然具有较高的活性，但产生的有毒副产物(二氯乙烯)较多。因此，有必要探究新的零价铁复合材料的制备方法，以解决上述技术问题，例如：对零价铁进行氮掺杂改性修饰，制备氮掺杂零价铁复合材料。
技术实现思路
本专利技术结合现有零价铁改性修饰的技术手段，合成一种氮掺杂零价铁新型复合材料，该材料的制备方法不仅操作简便，制备成本低，而且制得的氮掺杂零价铁对含氯有机污染物和重金属污染物有较高的去除效率。具体技术方案如下：一种氮掺杂零价铁复合材料的制备方法，包括：在惰性气体氛围下，将含氮化合物粉末和铁粉按质量比1:9～125混合后球磨，球磨结束后，得到氮掺杂零价铁复合材料；所述含氮化合物为三聚氰胺、尿素、氮化铁或双氰胺。经试验发现，将含氮化合物粉末和铁粉进行球磨后得到的复合材料的表面会生成吡啶氮，吡咯氮和石墨氮，这些氮会和铁进行配位形成铁氮化物；并且该复合材料对含氯有机污染物和重金属污染物有较高的去除效率。作为优选，所述含氮化合物为三聚氰胺或尿素。进一步地，所述铁粉为单质铁粉、还原铁粉、铸铁粉、生铁粉或含有零价铁的工业废铁屑；优选单质铁粉和还原铁粉；更优选粒径小于100μm的还原铁粉。进一步地，所述含氮化合物粉末和铁粉的质量比为1:9～53。进一步地，所述球磨的速度为400～4000rpm，球磨的时间为2～30h；优选球磨的速度为400～1000rpm，球磨的时间为10～30h。进一步地，将含氮化合物粉末和铁粉混合置于球磨机的球磨罐内，球磨罐内装有研磨介质；所述球磨机为行星式球磨机、振动球磨机或砂磨机。进一步地，所述研磨介质为铁珠、钢珠、氮化硅珠或氧化锆珠；直径为0.1～10mm。作为优选，所述研磨介质为氧化锆珠或氮化硅珠。进一步地，所述研磨介质的装入量为球磨罐腔体体积的10～50％；优选10～20％。所选球磨罐内球磨氛围为惰性气体氛围，惰性气体可为氮气或氩气。在球磨过程中可以有效避免材料被氧气消耗，造成零价铁的损失。所述研磨后分离研磨介质与产品，优选在惰性气体氛围下操作，惰性气体可为氮气或氩气。具体的，优选本专利技术方法按以下步骤进行：含氮化合物粉末和铁粉按质量比1:9～53混合置于球磨机的球磨罐内，球磨罐内装有腔体体积的10～20％的研磨介质，球磨罐内充满氩气，球磨速度为400～1000rpm，研磨5～30h，研磨后在氮气氛围下分离研磨介质与产品，即制得所述氮掺杂零价铁复合材料；所述含氮化合物为三聚氰胺或尿素；所述铁粉为粒径小于100μm的还原铁粉；所述研磨介质为直径0.1～10mm的氧化锆珠或氮化硅珠。本专利技术还提供了上述制备方法制得的氮掺杂零价铁复合材料；该复合材料的表面会生成吡啶氮，吡咯氮和石墨氮，与铁进行配位形成铁氮化物。本专利技术还提供了所述氮掺杂零价铁复合材料在修复含重金属污染物和/或含氯有机污染物的水体中的应用。进一步地，所述含氯有机污染物可以为氯乙烯、二氯乙烯、三氯乙烯、四氯乙烯等氯代烯烃类，三氯甲烷、四氯化碳等氯代烷烃类。所述重金属污染物可以为含铬、镉等的污染物。与现有技术相比，本专利技术带来的有益效果：(1)本专利技术将含氮化合物粉末和铁粉进行球磨，得到的复合材料的表面会生成吡啶氮，吡咯氮和石墨氮，并与铁进行配位形成铁氮化物，能克服零价铁材料在修复过程中的钝化问题，对含氯有机污染物和重金属污染物的去除效率较高。(2)本专利技术方法制备简单，仅需简单球磨即可获得氮掺杂零价铁复合体，制备过程中无有毒有害危险品的使用与产生，属清洁生产过程。附图说明图1为实施例1制得的氮掺杂零价铁复合材料的SEM-EDS图；其中，A为SEM图；B为EDS图。图2为实施例1制得的氮掺杂零价铁复合材料的XPS图。图3为实施例1和对比例1制得的氮掺杂零价铁复合材料以及零价铁材料对三氯乙烯(TCE)的去除效果图。图4为实施例1和对比例1制得的氮掺杂零价铁复合材料以及零价铁材料对氯仿(CF)的去除效果图。图5为实施例2和对比例1制得的氮掺杂零价铁复合材料以及零价铁材料对重金属铬Cr(Ⅵ)的去除效果图。图6为实施例3和对比例1制得的氮掺杂零价铁复合材料以及零价铁材料对三氯乙烯(TCE)的去除效果图。图7为实施例6制得的氮掺杂零价铁复合材料对三氯乙烯(TCE)的去除效果图。图8为实施例7制得的氮掺杂零价铁复合材料对三氯乙烯(TCE)的去除效果图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术作进一步描述，以下列举的仅是本专利技术的具体实施例，但本专利技术的保护范围不仅限于此。实施例1采用行星式球磨机制备氮掺杂零价铁材料，具体步骤如下：向球磨罐内装入20％腔体体积的氧化锆球磨珠(粒径6mm)；称取0.046g三聚氰胺粉末和2.454g还原铁粉(氮铁质量比为1:53.35)置于球磨罐内，并在罐内充满本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氮掺杂零价铁复合材料的制备方法，其特征在于，包括：在惰性气体氛围下，将含氮化合物粉末和铁粉按质量比1:9～125混合后球磨，球磨结束后，得到氮掺杂零价铁复合材料；/n所述含氮化合物为三聚氰胺、尿素、氮化铁或双氰胺。/n

【技术特征摘要】
1.一种氮掺杂零价铁复合材料的制备方法，其特征在于，包括：在惰性气体氛围下，将含氮化合物粉末和铁粉按质量比1:9～125混合后球磨，球磨结束后，得到氮掺杂零价铁复合材料；
所述含氮化合物为三聚氰胺、尿素、氮化铁或双氰胺。


2.如权利要求1所述的氮掺杂零价铁复合材料的制备方法，其特征在于，所述铁粉为单质铁粉、还原铁粉、铸铁粉、生铁粉或含有零价铁的工业废铁屑。


3.如权利要求1所述的氮掺杂零价铁复合材料的制备方法，其特征在于，所述含氮化合物粉末和铁粉的质量比为1:9～53。


4.如权利要求1所述的氮掺杂零价铁复合材料的制备方法，其特征在于，所述球磨的速度为400～4000rpm，球磨的时间为10～30h。

【专利技术属性】
技术研发人员：巩莉，邱晓江，何锋，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33