[发明专利]一种利用电化学沉积快速合成施氏矿物的方法

说明书

本发明公开一种利用电化学沉积快速合成施氏矿物的方法，在三电级体系中以硫酸亚铁和乙酸混合溶液作为施氏矿物成矿母液，利用恒温水浴锅控制体系反应温度35～40ºC，调节pH3.0～3.5，采用外加电流驱动母液离子发生氧化‑还原循环反应，析出的矿物经抽滤、洗涤以及低温烘干后获得成品矿物。本发明可在较短时间内获得矿物产量高、比表面积大、粒径500nm~900nm的具有针须发育的海胆球状施氏矿物。

技术领域

本发明属于水环境工程技术领域，具体涉及一种基于电化学法促进铁羟基硫酸盐矿物——施威特曼矿物快速高效成矿的方法。

背景技术

施威特曼矿物（schwertmannite,简称施氏矿物）是一种铁羟基硫酸盐矿物，其化学通式为Fe₈O₈(OH)_8-2x(SO₄)_x·nH₂O （1.0≤x≤1.75），通常在pH~3、富Fe (Fe²⁺/Fe³⁺)及SO₄^2-的酸性矿山废水（Acid Mine Drainage，AMD）环境沉积物中被检出。施氏矿物在重金属废水处理及难降解有机物高级氧化降解方面具有良好的应用前景，主要表现为：（1）在施氏矿物成矿过程中，结构中的Fe(III)和SO₄位点容易被其它重金属取代而发生重金属共沉淀行为；再则该矿物具有很高的比表面积（170~250 m²/g），对重金属离子显示出优良的吸持固定能力，尤其是铬和砷，其富集量可分别达到812mg/kg及6740 mgAs/kg，是一种优良的重金属扫除剂。（2）施氏矿物与H₂O₂联用可形成持久型类芬顿氧化效应，对难降解有机物显示极高的催化降解活性。（3）施氏矿物属于半导体矿物，在可见光辐照下可以产生光电子与空穴，对体系具有一定的催化活性。

然而，自然条件下，施氏矿物通常只存在于极端酸性富Fe、富SO₄^2-的矿山排水环境中，成矿的环境条件窗口窄、产率低。目前，通过人工强化的合成方法主要有双氧水氧化法（化学快法）、透析法（化学慢法）和微生物法。例如透析合成法（33 d）可得到Fe/S比6.67、粒径～100 nm、BET 175～220 m²/g的海胆状“毛刺”结构的矿物(Regenspurg et al.,2004)； H₂O₂快速氧化合成得到Fe/S比3.81、粒径约400 nm、BET为4～14 m²/g的球形矿物(Bigham et al., 1996; Loan et al., 2005)；而氧化亚铁硫杆菌氧化FeSO₄合成得到的产品为粒径约2 μm的球形颗粒，BET比表面积～10 m²/g(Liao et al., 2009)。现有合成方法存在的问题主要有：透析法可获得高比面积、微观形貌更接近自然环境下成矿的施氏矿物，但合成的周期太长；H₂O₂快速氧化法速度快，但获得的矿物未观察到典型的海胆状毛刺，比表面积很低；微生物法获得矿物比表面积小，矿物颗粒团聚较严重，合成周期也往往需要2～3d。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用电化学沉积快速合成施氏矿物的方法，所得到的施氏矿物具有高比表面积、粒度均匀、微观呈典型海胆球状、表面晶须发育丰富。

本发明提供的一种利用电化学沉积快速合成施氏矿物的方法，在三电级体系中以硫酸亚铁和乙酸混合溶液作为施氏矿物成矿母液，利用恒温水浴锅控制体系反应温度35～40ºC，调节pH3.0～3.5，采用外加电流驱动母液离子发生氧化-还原循环反应，析出的矿物经抽滤、洗涤以及低温烘干后获得成品矿物。

上述中，在三电级体系中，以Pt为工作电极、Pt为对电极、Ag/AgCl为参比电极。