一种缓释型微纳米零价铁材料的制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种缓释型微纳米零价铁材料的制备方法，所述制备方法采用天然生物质为原料，通过高温预处理

【技术实现步骤摘要】
一种缓释型微纳米零价铁材料的制备方法及应用


[0001]本专利技术涉及功能性复合材料领域，尤其涉及一种缓释型微纳米零价铁材料的制备方法及其应用。

技术介绍

[0002]零价铁是一种化学性质活泼的金属，具有较强的还原能力、良好的电化学特性、配位化学特性、以及环境友好等特点，可以直接还原或间接催化氧化降解污染物，从而降低其毒性，展现出环境友好、价格低廉、催化效果强和应用范围广等特点，已经在工业水处理或地下水修复中有应用实例。微纳米零价铁因其较大的比表面积具有更好的活化效果，能使氧化反应效率更高。但是，微纳米零价铁表面易钝化，形成一层致密的氧化膜，阻碍零价铁与氧化剂、污染物之间的电子传递，降低催化活性。
[0003]碳基材料具有比表面积大、表面含氧基团丰富、抗酸碱能力强和一定导电性等物理化学性质，兼具来源广泛、价格低廉、环境友好等特点，能够显著提高微纳米零价铁的催化活性、分散性和电子利用率，目前已得到广泛的研究和应用。但是碳基微纳米零价铁材料以碳为主，零价铁含量低，一般小于50％，极大限制复合材料的催化潜能。而通过物理或化学手段将碳质组分包覆在微纳米零价铁表面，隔绝内核零价铁与外界空气的直接接触，可以避免零价铁因表面氧化造成的钝化。此外，内核零价铁和外层所包覆的碳层形成微电池，内核零价铁中电子通过导电碳层持续外输活化氧化剂，产生活性氧物种进而降解污染物。碳包覆手段在微纳米零价铁催化降解污染物中具有巨大应用潜力。
[0004]目前碳包覆微纳米零价铁主要通过液相还原法制备，制备过程是需将铁盐与有机溶液混合，通过吸附、络合、螯合等作用促使铁离子与有机组分结合，随后通过添加还原剂将复合体中铁离子还原为零价铁，最终通过热解、煅烧等手段促使有机组分碳化并包覆在零价铁表面，制备得到碳包覆微纳米零价铁材料。腐植酸结构中包含有大量羟基、羧基、醛基、以及羰基，能够与铁离子通过络合、螯合等作用而紧密结合，具有制备缓释型微纳米零价铁材料的潜能。然而直接采用生物质为原料通过水热制备腐植酸转化率低，腐植酸的产率较低，产物不稳定品质差，不利于碳包铁材料的制备。如何绿色制备一种铁含量高、原料来源广泛、价格低廉的缓释型微纳米零价铁是当前的一个研究热点。

技术实现思路

[0005]本专利技术旨在提供一种采用天然生物质为原料，通过高温预处理
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水热碱催化首先得到浓度高、品质好的腐植酸母液，随后通过酸调控同时实现微纳米零价铁表面氧化层去除和腐植酸自组装成壳，制备得到具有核壳结构的缓释型微纳米零价铁材料，制备的材料兼备高催化活性和强缓释性，以克服现有技术中存在的不足。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案是：
[0007]一种缓释型微纳米零价铁材料的制备方法，包括以下步骤：
[0008]S1生物质高温预处理
[0009]将天然生物质原料研磨成粉，于热解炉中，在氮气保护条件下，以1
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10℃/min速率升温到250
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400℃并维持0.3
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5h，自然冷却后，研磨得到预处理原料；
[0010]S2预处理原料水热碱催化制备腐植酸
[0011]称取预处理原料与强碱溶液混合均匀，转移至反应釜中，于一定温度下进行水热，自然冷却后，反应液经离心去除残渣，搅拌条件下用强酸溶液调节pH值，继续搅拌一定时间，反应液中腐植酸沉淀完全后，抽滤得到腐植酸固体；将腐植酸固体溶解于强碱溶液中，得到腐植酸母液；
[0012]S3酸调控制备缓释微纳米零价铁
[0013]量取一定量的腐植酸母液于容器中，加入去离子水调节溶液的总体积，在搅拌条件下，将微纳米零价铁粉缓慢加入溶液中，继续搅拌一定时间，随后向反应体系中匀速缓慢加入强酸溶液，继续搅拌均匀后，离心去除上清液，用去离子水清洗三次，离心、干燥后制得缓释微纳米零价铁材料。
[0014]优选地，作为一个较佳的实施例，所述S1中生物质原料选自农林废弃物、餐厨垃圾、海洋藻类废弃物、畜禽粪便中的一种或多种。
[0015]优选地，作为一个较佳的实施例，所述的热解炉包括气氛炉和管式炉，过程为在氮气保护条件下，以1
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10℃/min速率升温到250
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400℃并维持0.3
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5h，根据不同的生物质原料，适当调节升温速率、平衡温度和热解时间以确保生物质的充分热解。
[0016]优选地，作为一个较佳的实施例，所述的预处理原料与强碱溶液质量比为0.1
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2g:25
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75g，所述强碱溶液为氢氧化钠、氢氧化钾和氨水中的一种或多种，强碱在水热中使用浓度为0.1
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2M。
[0017]优选地，作为一个较佳的实施例，所述水热反应的温度是180
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220℃，水热时间为5
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20h。
[0018]优选地，作为一个较佳的实施例，所述S2步骤中，强碱在腐植酸溶解中的使用浓度为0.01
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0.05M，所述强碱的使用量为1
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50g。
[0019]优选地，作为一个较佳的实施例，所述S2步骤中，强酸选自盐酸、硫酸和硝酸中的一种或多种，所述强酸的使用浓度为0.1
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5M,调剂pH值为2以下。
[0020]优选地，作为一个较佳的实施例，所述S3步骤中，腐植酸母液的用量为1
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10mL,反应溶液总体积为40
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80mL。
[0021]优选地，作为一个较佳的实施例，所述S3步骤中，所述搅拌为机械搅拌，搅拌速度为300
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800rpm。
[0022]优选的，作为一个较佳的实施例，所述S3步骤中，使用的微纳米零价铁粒径范围为50
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10000nm，添加量为1
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10g；使用的强酸为盐酸、硫酸、硝酸中的一种或多种，其浓度范围为0.1
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5M，添加量为0.1
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10mL。
[0023]优选的，作为一个较佳的实施例，所述S3步骤中，所述的干燥方式为烘干、晒干、冷冻干燥中的一种或多种。
[0024]本专利技术的另一目的还在于提供一种所述缓释型微纳米零价铁材料的应用，所述应用包括如下步骤：
[0025]将本专利技术制备得到的缓释微纳米零价铁置于带盖玻璃瓶中，加入苯酚溶液，随后加入氧化剂引发反应。
[0026]优选的，作为一个较佳的实施例，所述缓释微纳米零价铁材料的施用量为10
‑
50mg，所述反应溶液的总体积为15
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40mL，所述苯酚溶液的浓度为100
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300mg/L。
[0027]优选的，作为一个较佳的实施例，所述氧化剂选自过二硫酸盐、过一硫酸盐和过氧化氢中的一种或多种，所述氧化剂的浓度为1
‑
10mM。
[0028]优选的，作为一个较佳的实施例，带盖玻璃瓶置于转速为1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种缓释型微纳米零价铁材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1生物质高温预处理将天然生物质原料研磨成粉，于热解炉中，在氮气保护条件下，以1
‑
10℃/min速率升温到250
‑
400℃并维持0.3
‑
5h，自然冷却后，研磨得到预处理原料；S2预处理原料水热碱催化制备腐植酸称取预处理原料与强碱溶液混合均匀，转移至反应釜中，于一定温度下进行水热，自然冷却后，反应液经离心去除残渣，搅拌条件下用强酸溶液调节pH值，继续搅拌一定时间，反应液中腐植酸沉淀完全后，抽滤得到腐植酸固体；将腐植酸固体溶解于强碱溶液中，得到腐植酸母液；S3酸调控制备缓释微纳米零价铁量取一定量的腐植酸母液于容器中，加入去离子水调节溶液的总体积，在搅拌条件下，将微纳米零价铁粉缓慢加入溶液中，继续搅拌一定时间，随后向反应体系中匀速缓慢加入强酸溶液，继续搅拌均匀后，离心去除上清液，用去离子水清洗三次，离心、干燥后制得缓释纳米零价铁材料。2.根据权利要求1所述的一种缓释型微纳米零价铁材料的制备方法，其特征在于，所述天然生物质原料选自农林废弃物、餐厨垃圾、海洋藻类废弃物、畜禽粪便中的一种或多种。3.根据权利要求1所述的一种缓释型微纳米零价铁材料的制备方法，其特征在于，所述的热解炉包括气氛炉和管式炉，过程为在氮气保护条件下，以1
‑
10℃/min速率升温到250
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400℃并维持0.3
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5h。4.根据权利要求1所述的一种缓释型微纳米零价铁材料的制备方法，其特征在于，所述的预处理原料与强碱溶液质量比为0.1
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2g:25
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【专利技术属性】
技术研发人员：张鹏，王新华，孙红文，王翠苹，黄鹏，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：