双铁功能化羊粪生物炭复合材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种双铁功能化羊粪生物炭复合材料及其制备方法与应用，通过以羊粪生物炭、铁盐和亚铁盐为原料采用共沉淀法制得Fe3O4磁性生物炭，再将Fe3O4磁性生物炭于氮气氛围下热解后，即获得负载有Fe0和Fe3C的双铁功能化羊粪生物炭复合材料。该复合材料可作为催化剂活化过一硫酸盐从而高效降解磺胺嘧啶。本发明专利技术通过以废制废的方式制备双铁功能化的过一硫酸盐催化材料，不仅实现了粪源废物的资源化利用，同时为有机废水高效的处理方法提供了技术支撑。了技术支撑。了技术支撑。

【技术实现步骤摘要】
双铁功能化羊粪生物炭复合材料及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于催化剂
，涉及到过一硫酸盐催化材料，具体涉及一种双铁功能化羊粪生物炭复合材料及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]磺胺类抗生素(SAs)是人工合成的广谱型抗菌药物，因杀菌性强、使用方便等优点被广泛应用于人类医疗和畜禽养殖中。当人类或动物服用后，仅有20％左右的磺胺抗生素能被吸收，剩余部分则以母体或代谢产物的形式随排泄物进入环境。磺胺嘧啶(SDZ)作为一种常用的磺胺类药物，在世界各地的水环境中经常被检测到，可能对水生生物构成生态风险。
[0003]目前，专门去除污水及饮用水中微量磺胺类抗生素的处理技术研究相对较少，但其在环境中残留带来的危害日益引起人们的广泛关注。现阶段，环境中抗生素去除主要涉及三种途径:吸附、氧化、生物降解。由于磺胺抗生素固有的N、S杂环结构使其具有较强的生化稳定性，采用传统的处理工艺与技术难以有效的将其去除。因此，探寻高效的磺胺类抗生素处理方法成为研究难点。
[0004]ANIPSITAKIS等、HUANG等的研究发现，SO4·
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能够有效去除各种类型的顽固性污染物。SO4·
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通常由经过活化的过一硫酸盐(PMS)或过硫酸盐(PDS)产生。基于活化过一硫酸盐(PMS)产生硫酸根自由基SO4·
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的高级氧化技术因氧化能力强、稳定性好、pH值耐受范围广、便于运输储存等优点在难降解有机物处理领域得到广泛关注。目前活化PMS的方法主要有过渡金属离子活化、紫外活化、热活化以及超声活化等，其中以零价铁(Fe0)为主要活性点位的过渡金属活化法因较高的氧化还原电位、环保及低成本等特性备受广大研究者青睐，但金属团聚及反应后催化剂难回收等问题限制了其广泛应用。因此，开发新型、绿色高效的Fe0基支撑材料具有广泛而深远的现实意义。
[0005]生物炭作为一种由废弃生物质高温分解而来的碳材料，不仅来源广泛、价格低廉、制备过程简单，其巨大比表面积、丰富的含氧官能团、杂化的碳结构还能为PMS提供新的活性点位，是一种颇具潜力的Fe0基氧化还原介体。不同种类的铁物质对活化PMS降解污染物的机制有较大差异，目前，已有研究者将污泥、秸秆和草药残渣等工业及林业废弃物与高价铁源混合制备单铁功能的生物炭复合材料，而以绵羊粪便为原料制备生物炭并作为Fe0支撑材料的研究未有报道。
[0006]综上所述，研究制备新型的铁基生物炭PMS催化材料，对废物的资源化利用，有机废水高效的处理，均有十分重要的意义。

技术实现思路

[0007]针对现有技术中PMS催化材料金属团聚及反应后催化剂难回收等问题，本专利技术的目的是旨在提供一种双铁功能化Fe0/Fe3C羊粪生物炭复合材料及其制备方法与应用，以Fe3O4‑
羊粪生物炭为原料，热解制备得到双铁功能化的生物炭复合材料，该复合材料可作为
催化剂活化过一硫酸盐(PMS)从而高效降解磺胺嘧啶(SDZ)。本专利技术通过以废制废的方式制备双铁功能化的PMS催化材料，不仅实现了粪源废物的资源化利用，同时为有机废水高效的处理方法提供了技术支撑。
[0008]为达到上述目的，本专利技术提供的一种双铁功能化羊粪生物炭复合材料的制备方法，以羊粪生物炭、铁盐和亚铁盐为原料采用共沉淀法制得Fe3O4磁性生物炭，将Fe3O4磁性生物炭于氮气氛围下加热至650～750℃恒温0.5～2h后，即得负载有Fe0和Fe3C的双铁功能化羊粪生物炭复合材料，所述铁盐和亚铁盐铁离子物质的量比为2:1，所述羊粪生物炭与铁盐和亚铁盐总质量的质量比为2:1～1:1。
[0009]上述双铁功能化羊粪生物炭复合材料的制备方法，所述双铁功能化即在羊粪生物炭上形成负载Fe3C和Fe0两种铁物质。不同的生物质材料制备出的生物炭结构性质如酸碱性、阳离子交换量、含碳量有所不同，本专利技术以羊粪生物炭原料，不仅来源广泛、价格低廉、制备过程简单，其巨大比表面积、丰富的含氧官能团、杂化的碳结构还能为PMS提供新的活性点位。羊粪较其它生物质来源，其固有的杂原子掺杂能有效增强生物炭上碳原子给电子的能力，同时避免额外掺杂造成的化学污染，实现了粪源废物的资源化利用。本专利技术优选以绵羊粪便为原料制备生物炭并作为Fe0支撑材料。羊粪生物炭可以采用常规生物炭制备技术进行制备。所述羊粪生物炭制备步骤优选如下：以羊粪为原料，经粉碎过筛后获得羊粪粉末，羊粪粉末经热解处理后获得生物炭前体，将生物炭前体加入酸洗液中进行酸洗以去除生物炭前体中的可溶性矿物质，并减少灰分对生物炭表面孔道的堵塞，酸洗结束后清洗至溶液呈中性，烘干后即得羊粪生物炭。
[0010]热解及酸洗条件优选为：在氮气氛围下，将羊粪粉末加热至200～400℃恒温0.5～2h得到生物炭前体，冷却后，将生物炭前体加入硫酸溶液中并于室温下振荡0.5～1h，振荡结束后清洗至溶液近中性，烘干后即得羊粪生物炭。所述粉碎过筛优选为粉碎过80～100目筛，进一步优选为过100目筛。羊粪经剔除杂质后再进行粉碎或研磨最佳，以避免杂质对后续碳化过程造成影响。此外，烘干温度和烘干时间可以在常规范围内进行选择，并无特殊限制，通常烘干温度在85～105℃。
[0011]上述双铁功能化羊粪生物炭复合材料的制备方法，以5～20℃
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‑1的升温速率将羊粪粉末加热至200～400℃。升温速率也可以根据生物炭制备中的常规参数进行确定。
[0012]上述双铁功能化羊粪生物炭复合材料的制备方法，羊粪原料热解后获得生物炭，再采用酸洗液进行浸泡震荡的目的是去除生物炭可溶性矿物质，并减少灰分对生物炭表面孔道的堵塞。酸洗液可以采用本领域常规的酸溶液，本专利技术中优选酸洗液为硫酸溶液。硫酸溶液的浓度优选为1～2mol
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‑1，进一步优选为1mol
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‑1。
[0013]上述双铁功能化羊粪生物炭复合材料的制备方法，Fe3O4磁性生物炭是以羊粪生物炭、铁盐和亚铁盐为原料采用共沉淀法制得。共沉淀法为本领域中制备含有两种或两种以上金属元素的复合氧化物超细粉体的常规方法，因而在制备Fe3O4磁性生物炭时，所涉及到工艺参数可以根据常规工艺进行选择适用。本专利技术通过共沉淀法，在羊粪生物炭上成功负载大量的Fe3O4，得到化学成分均一的纳米粉体Fe3O4磁性生物炭材料，粒度小而且分布均匀。
[0014]在本专利技术中，所述Fe3O4磁性生物炭制备步骤优选如下：按比例将羊粪生物炭、铁盐和亚铁盐加入去离子水中，水浴加热至60～80℃后搅拌0.5～1h，再加入NaOH溶液使反应溶
液pH升高至10～11，沉淀铁氧化物并继续搅拌溶液0.5～1.5h，静置0.5～1h后进行过滤，并将沉淀物清洗后烘干，即得Fe3O4磁性生物炭，所述铁盐和亚铁盐铁离子物质的量比为2:1，所述羊粪生物炭与铁盐和亚铁盐总质量的质量比为2:1～1:1。
[0015]上述双铁功能化羊粪生物炭复合材料的制备方法，可以采用七水硫酸亚铁或四水氯化亚铁本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双铁功能化羊粪生物炭复合材料的制备方法，其特征在于：以羊粪生物炭、铁盐和亚铁盐为原料采用共沉淀法制得Fe3O4磁性生物炭，将Fe3O4磁性生物炭于氮气氛围下加热至650～750℃恒温0.5～2h后，即得负载有Fe0和Fe3C的双铁功能化羊粪生物炭复合材料，所述铁盐和亚铁盐铁离子物质的量比为2:1，所述羊粪生物炭与铁盐和亚铁盐总质量的质量比为2:1～1:1。2.根据权利要求1所述的双铁功能化羊粪生物炭复合材料的制备方法，其特征在于：所述羊粪生物炭制备步骤如下：以羊粪为原料，经粉碎过筛后获得羊粪粉末，羊粪粉末经热解处理后获得生物炭前体，将生物炭前体加入酸洗液中进行酸洗，酸洗结束后清洗至溶液呈中性，烘干后即得羊粪生物炭。3.根据权利要求2所述的双铁功能化羊粪生物炭复合材料的制备方法，其特征在于：热解及酸洗条件为：在氮气氛围下，将羊粪粉末加热至200～400℃恒温0.5～2h，冷却后，加入硫酸溶液中并于室温下振荡0.5～1h，振荡结束后清洗至溶液近中性，烘干后即得羊粪生物炭。4.根据权利要求3所述的双铁功能化羊粪生物炭复合材料的制备方法，其特征在于：以5～20℃
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‑1的升温速率将羊粪粉末加热至200～400℃；硫酸溶液的浓度为1～2mol
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‑1。5....

【专利技术属性】
技术研发人员：张建强，黄雯，唐亚鑫，张雪萍，骆泽，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：