[发明专利]一种凹凸棒石/Fe3O4/碳复合材料的制备及应用

说明书

技术领域

本发明属于重金属废水处理技术领域，具体涉及一种凹凸棒石/Fe₃O₄/碳纳米复合材料的制备方法，本发明还涉及利用上述制备的凹凸棒石/Fe₃O₄/碳纳米复合材料吸附去除水中Cr(Ⅵ)的应用。

背景技术

重金属铬是我国优先控制的污染物之一，主要来源于电镀、冶金、制革、印染和化工等行业排放的三废。铬在水体中主要以Cr(Ⅲ)和两种形态存在，其中Cr(Ⅵ)是一种急性致癌物质，迁移性和毒性远高于Cr(Ⅲ)，且更易为人体吸收而在体内蓄积。目前，含铬废水的主要处理方法有化学沉淀法、溶剂提取法、反渗透法、还原法和吸附法等。由于吸附法具有操作简单、成本较低、处理效果好等优点，已被广泛用于处理含铬废水。

凹凸棒石是一种具有链层状结构的含水富镁硅酸盐的粘土矿物，具有较大的比表面积、化学活性和良好的吸附性能，已被应用于水处理领域。但是由于凹凸棒石的结构特点导致对水中Cr(Ⅵ)吸附性能较差。因此，需要对凹凸棒石进行改性以提高对水中Cr(Ⅵ)的吸附能力。目前，凹凸棒石的改性方法有高温改性、酸改性、有机改性等。这些改性方法存在方法繁琐、成本较高、吸附性能仍较小等缺点。

近年来有学者采用水热碳化法对凹凸棒石进行有机改性，从而提高凹凸棒石的吸附性能。以葡萄糖为生物质碳源，有机改性后的凹凸棒石表面富含丰富的羟基、羧基、酮基、酯基等活性基团，对水中Cr(Ⅵ)具有较强的吸附性能(Langmui，2011,27,8998-9004)；壳聚糖作为一种资源丰富的天然高分子聚合 物，具有生物相融性、环境友好性等特点，且分子链上含丰富的羟基、氨基等，有学者以壳聚糖为生物质碳源对凹凸棒石进行有机改性，改性产物对水中Cr(Ⅵ)的吸附性能高于葡萄糖碳化改性产物。但是上述都存在吸附后难以固液分离，限值其在工业化方面的应用。

磁分离法因操作简单、能耗低、不易产生二次污染等优点而备受关注。若将具有磁性的γ-Fe₂O₃或Fe₃O₄引入到凹凸棒石/碳纳米复合材料中，则可以解决该吸附剂吸附后的分离问题。有学者以廉价的天然纳米材料凹凸棒石黏土和废活性白土为原材料，通过铁盐水解和氢气气氛下程序升温煅烧使废活性白土中有机质热裂解碳化的方法，在凹凸棒石表面负载纳米磁性铁氧化物(γ-Fe₂O₃)和碳，制备廉价的凹凸棒石/γ-Fe₂O₃/碳纳米复合材料(硅酸盐学报,2009,34(4):548-553)。虽然凹凸棒石/γ-Fe₂O₃/碳纳米复合材料具有一定的磁性，但是该复合材料的制备过程较为复杂，实验条件要求较高。

以硫酸亚铁铵、葡萄糖和凹凸棒石为原料，采用一步水热法制备了凹凸棒石/Fe₃O₄/碳纳米复合材料(碳素技术,2014,33(1):23-38)。反应方程式如下：

Fe²⁺+2OH^-→Fe(OH)₂ (1)

3Fe(OH)₂+0.5O₂→Fe(OH)₂+2FeOOH+2H₂O (2)

Fe(OH)₂+FeOOH→Fe₃O₄+H₂O (3)

当加入氨水时，发生式(1)反应。由于反应开始前，原料是在空气下搅拌的，所以发生式(2)反应。当转移到高压反应釜中，发生式(3)反应，生成Fe₃O₄颗粒负载在凹凸棒石表面。该方法的优点是制备步骤较少，但是式(2)反应难以控制，这是由于氢氧化亚铁易被空气氧化成氢氧化铁沉淀，在水热反应釜中是不能生成Fe₃O₄颗粒。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是提供一种制备步骤简 单、能耗较低和易于控制的凹凸棒石/Fe₃O₄/碳纳米复合材料的制备方法，以期利用该制备出的纳米复合材料实现对水中Cr(Ⅵ)的吸附去除。

本发明的技术问题是通过以下技术方案予以实现的。