一種負載納米鐵膨脹石墨復合材料的制備方法及其應用
【技術領域】
[0001] 本發明涉及負載納米鐵膨脹石墨復合材料的制備及其應用領域，特別涉及用于去 除水體中重金屬離子的負載納米鐵膨脹石墨復合材料的制備方法。
【背景技術】
[0002] 重金屬污染是指重金屬及其化合物在環境中含量超標造成的污染，重金屬能通過 各種途徑進入環境，污染范圍廣，并且在環境中易積累，危害大，治理困難，其中Cr 6+、Cd2+和 Pb2+的污染尤為突出，因此，這幾類重金屬污染亟待治理。目前常用的重金屬處理方法眾多， 如氧化還原法、離子交換法、膜分離法、生物法以及化學沉淀法等，但往往不能兼顧處理成 本與效果。因此，找到一種高效、迅速并且成本低廉的修復技術來處理水體中重金屬污染成 為我國所面臨的嚴峻問題之一。
[0003] 膨脹石墨作為一種廉價、疏松多孔的材料，對環境污染物具有良好的吸附效果；納 米鐵得益于自身具有很大的比表面積與高反應活性，可用于多種污染還原處理。但膨脹石 墨屬于物理吸附，吸附狀態不穩定，破碎后，污染物易游離，脫附現象明顯。而納米鐵粒徑過 小、受到相互之間磁力影響顯著，極易團聚，并且單純零價納米鐵易被氧化，影響去除效果。
[0004] 本發明負載納米鐵膨脹石墨復合材料是以膨脹石墨為載體，將零價納米鐵負載在 其上的復合材料；由于膨脹石墨載體本身良好的吸附性能及零價納米鐵較強的還原性能， 兩者產生協同作用，提高了對重金屬的去除效率。本發明既改善了膨脹石墨單獨存在時物 理吸附易脫附的問題，同時也改善了單純零價納米鐵的易氧化性能，擴大了它在環境方面 的應用范圍。
【發明內容】
[0005] 本發明旨在提供一種用于去除水體中重金屬的負載納米鐵膨脹石墨復合材料及 其制備方法，以解決現有技術存在的不足。
[0006] 所述負載納米鐵膨脹石墨復合材料的制備方法包括以下步驟：
[0007] a、取一定量20~60目天然鱗片石墨經氧化、插層后制得可膨脹石墨，在25~ 45°C下，將可膨脹石墨浸漬在0. 2~2. Omol/L的FeCl3溶液中12~20h ;過濾得到負載Fe 3+ 的可膨脹石墨，在50~60°C下烘干6h待用。
[0008] b、將上述干燥后負載Fe3+的可膨脹石墨高溫膨脹得到膨脹倍率為310~350mL/g 的負載Fe3+的膨脹石墨。
[0009] c、將上述負載Fe3+的膨脹石墨在25~45°C下二次浸漬在0. 2~2. Omol/L的FeCl 3 溶液當中12~20h，過濾得到二次負載Fe3+的膨脹石墨。
[0010] d、配置硼氫化鉀水溶液，使其濃度為0· 1~3. Omol/L。
[0011] e、將上述二次負載Fe3+的膨脹石墨加入到硼氫化鉀水溶液中，在25~40°C下攪 拌反應20~40min后過濾、洗滌得到低膨脹倍率的負載納米鐵膨脹石墨復合材料。
[0012] f、將上述低膨脹倍率的負載納米鐵膨脹石墨復合材料經過無氧二次膨脹，得到成 品的負載納米鐵膨脹石墨復合材料。
[0013] 本發明取得的技術進步是：
[0014] 1、本發明的制備過程中經過了二次浸漬與無氧二次膨脹，最大限度的增加了零價 納米鐵的負載量與復合材料的孔隙度，使材料具有更強的吸附性能，對重金屬離子具有更 高的去除率。
[0015] 2、本發明負載納米鐵膨脹石墨復合材料既改善了膨脹石墨單獨存在時物理吸附 易脫附的問題，同時也改善了單純零價納米鐵的易氧化性能，擴大了它在環境方面的應用 范圍。
[0016] 3、本發明負載納米鐵膨脹石墨復合材料能去除水體中多種重金屬，如Cr6+、Cd 2+、 Pb2+等，并且反應速度快，去除效率能夠達到99%以上。
[0017] 4、本發明負載納米鐵膨脹石墨復合材料的合成方法的工藝過程簡單可靠，容易控 制；并且成本低廉，適合規模化生產。
【附圖說明】
[0018] 圖1為用本發明所述制備方法制備的負載納米鐵膨脹石墨復合材料圖。
[0019] 圖2為負載納米鐵膨脹石墨復合材料的TEM圖。
[0020] 圖3為負載納米鐵膨脹石墨復合材料的SEM圖。
[0021] 圖4為負載納米鐵膨脹石墨復合材料與膨脹石墨對Pb2+的去除曲線圖。
[0022] 圖5為負載納米鐵膨脹石墨復合材料與膨脹石墨對Cr6+的去除曲線圖。
[0023] 圖6為負載納米鐵膨脹石墨復合材料與膨脹石墨對Cd2+的去除曲線圖。
【具體實施方式】
[0024] 實施例1 :
[0025] a、取一定量30目天然鱗片石墨經氧化、插層后制得可膨脹石墨，在35°C下，將可 膨脹石墨浸漬在I. 5mol/L的FeCl3溶液中18h ;過濾得到負載Fe 3+的可膨脹石墨，在60°C 下烘干6h待用。
[0026] b、將上述干燥后負載Fe3+的可膨脹石墨高溫膨脹得到膨脹倍率為310~350mL/g 的負載Fe3+的膨脹石墨。
[0027] c、將上述負載Fe3+的膨脹石墨在35°C下二次浸漬在I. 5mol/L的FeCl 3溶液當中 18h，過濾得到二次負載Fe3+的膨脹石墨。
[0028] d、配置硼氫化鉀水溶液，使其濃度為2. Omol/L。
[0029] e、將上述二次負載Fe3+的膨脹石墨加入到硼氫化鉀水溶液中，在35°C下攪拌反應 30min后過濾、洗滌得到低膨脹倍率的負載納米鐵膨脹石墨復合材料。
[0030] f、將上述低膨脹倍率的負載納米鐵膨脹石墨復合材料經過無氧二次膨脹，得到成 品的負載納米鐵膨脹石墨復合材料。
[0031] 本發明負載納米鐵膨脹石墨復合材料與膨脹石墨的比較：
[0032] 將已經制備好的負載納米鐵膨脹石墨復合材料進行透射電鏡（TEM)、掃描電鏡 (SEM)與X射線熒光光譜（XRF)分析，以觀察零價納米鐵粒子在膨脹石墨上的形貌、分散情 況，粒徑及元素組成等。通過X射線熒光光譜分析得到本發明制備的所述材料與膨脹石墨 所含元素種類及含量的對比（如表1)，結果表明：Fe的含量由0.0 O增長到2. 12%，膨脹石 墨成功實現了對Fe的負載。通過透射電鏡顯示粒子呈不規則的顆粒狀，粒徑在100~200nm 之間，為納米級（如圖2)。因此，零價納米鐵成功負載到膨脹石墨表面。通過掃描電鏡觀察 表明：負載零價納米鐵的膨脹石墨表面依舊保持為蠕蟲狀，多孔，且孔隙發達（如圖3)。
[0033] 表1負載納米鐵膨脹石墨復合材料與膨脹石墨元素含量表
[0035] 實施例2 :
[0036] 將本發明制備的負載納米鐵膨脹石墨復合材料進行Pb2+的去除率測驗。取0. 3g 所述材料加入到150ml模擬Pb2+濃度為100mg/L的重金屬污染廢水中，分三組平行試驗，將 其放入30°C的恒溫振蕩箱中進行反應，每隔一段時間取樣測量水體中Pb 2+濃度，得到所述 材料的Pb2+去除曲線。將負載納米鐵膨脹石墨復合材料換成純膨脹石墨按照上述步驟進行 實驗，得到膨脹石墨的Pb 2+去除曲線，兩者進行對比，結果如圖4所示。從圖4中可以看出： 本發明制備的所述材料比單純膨脹石墨擁有更高的去除率，并且反應迅速，IOOmin后即可 實現99%以上的去除率。
[0037] 實施例3 :
[0038] 將本發明制備的負載納米鐵膨脹石墨復合材料進行Cr6+的去除率測驗。取0. 2g 所述材料加入到100mL模擬Cr6+濃度為50mg/L的重金屬污染廢水中，分三組平行試驗，將 其放入35°C的恒溫振蕩箱中進行反應，每隔一段時間取樣測量水體中Cr 6+濃度，得到所述 材料的Cr6+去除曲線。將負載納米鐵膨脹石墨復合材料換成純膨脹石墨按照上述步驟進 行實驗，得到膨脹石墨的Cr 6+去除曲線，兩者進行對比，結果如圖5所示。從圖5中可以看 出：本發明制備的所述材料比單純膨脹石墨在更短的時間內擁有更高的去除率，并且反應 迅速，40min后即可實現99%以上的去除率。
[0039] 實施例4 :
[0040] 將本發明制備的負載納米鐵膨脹石墨復合材料進行Cd2+的去除率測驗。取0. 6g 所述材料加入到100mL模擬Cd2+濃度為150mg/L的重金屬污染廢水中，分三組平行試驗，將 其放入35°C的恒溫振蕩箱中進行反應，每隔一段時間取樣測量水體中Cd 2+濃度，得到所述 材料的Cd2+去除曲線。將負載納米鐵膨脹石墨復合材料換成純膨脹石墨按照上述步驟進行 實驗，得到膨脹石墨的Cd 2+去除曲線，兩者進行對比，結果如圖6所示。從圖6中可以看出： 本發明制備的所述材料比單純膨脹石墨擁有更高的去除率，并且反應迅速，70min后即可實 現99%以上的去除率。
【主權項】
1. 一種用于去除水體中重金屬的負載納米鐵膨脹石墨復合材料的制備方法，特征在 于所述制備方法經過了二次浸漬與無氧二次膨脹過程，通過浸漬還原法將零價納米鐵負載 在膨脹石墨的表面上，形成負載納米鐵膨脹石墨。其中，浸漬過程？冗1 3溶液的濃度范圍 是0. 2~2. Omol/L，浸漬時間為12~20h ;還原過程硼氫化鉀溶液的濃度范圍為0. 1~ 3. Omol/L，反應時間為20~40min。2. 根據權利要求1所述的制備方法得到的負載納米鐵膨脹石墨復合材料在水體中重 金屬去除方面的用途，其特征在于能結合膨脹石墨與零價納米鐵的優點，產生協同作用，提 高本發明所述材料的重金屬去除率。
【專利摘要】本發明涉及負載納米鐵膨脹石墨復合材料的制備及其應用領域，特別涉及用于去除水體中重金屬離子的負載納米鐵膨脹石墨復合材料的制備方法。其特征在于本發明負載納米鐵膨脹石墨的制備過程中經過了二次浸漬與無氧二次膨脹，通過浸漬還原法將零價納米鐵負載在膨脹石墨表面，形成負載納米鐵膨脹石墨。經過二次浸漬與無氧二次膨脹，最大限度的增加了零價納米鐵的負載量與復合材料的孔隙度，使材料具有更強的還原和吸附性能；經測驗表明本發明負載納米鐵膨脹石墨可實現水體中多種重金屬離子的去除，去除率均可達99％。本發明工藝過程簡單可靠，容易控制，成本低廉，為修復重金屬污染提供了應用前景更為廣闊的方法途徑。
【IPC分類】C02F101/20, C02F1/28, C02F1/70, B01J20/30, C02F101/22, B01J20/20
【公開號】CN104971696
【申請號】CN201510370096
【發明人】林愛軍, 徐從斌, 趙越, 王會麗, 焦春磊
【申請人】北京化工大學
【公開日】2015年10月14日
【申請日】2015年6月29日