[发明专利]一种利用煤系固废中的黄铁矿制备纳米赤铁矿的方法

说明书

本发明属于煤炭固废资源化利用领域，具体地说，涉及一种利用煤系固废中的黄铁矿制备纳米赤铁矿的方法。所述的方法包括如下步骤：1)将煤系固废粉磨，得到煤系固废粉末；2)将煤系固废粉末进行煅烧，得到纳米赤铁矿。本发明的方法基于大多数黄铁矿易氧化的优势，对煤系固废中的黄铁矿进行加热，通入空气气氛，从而获得粒径小、比表面积大的纳米赤铁矿材料。本发明的方法操作简单、成本低、环境友好、安全高效、易于工业化，使用本发明的方法可使煤系固废中的杂质黄铁矿转变为吸附性能好的纳米赤铁矿，有利于煤系固废资源化。

技术领域

本发明属于煤炭固废资源化利用领域，具体地说，涉及一种利用煤系固废中的黄铁矿制备纳米赤铁矿的方法。

背景技术

纳米赤铁矿是一种具有赤铁矿晶体结构的纳米级多孔颗粒材料。纳米科技被认为是21世纪最重要的科学技术之一，是指在纳米尺度(1～100nm)上研究物质的特性和相互作用，并利用这些特性的多学科交叉的科学和技术。赤铁矿具有存在广泛、环境友好、表面活性位点丰富的特点，它是生物-土壤-矿物-水相互作用的重要媒介之一。赤铁矿结构稳定、无毒易得，是一种极具应用前景的功能材料，被广泛应用于磁性材料、锂电池阳极材料、气体传感器等各个领域，尤其在污水处理方面，对含有As、Cr、Pb、Cu、Zn、Cd、Cs、Se、Sb、Hg等重金属离子的废水具有较高的吸附能力。重金属离子被赤铁矿吸附到表面，大大降低了水中重金属离子的浓度，减轻了环境污染。而纳米赤铁矿拥有巨大的比表面积，具有更多的吸附位点和更强的吸附能力，在环境污染的控制和修复中得到了广泛的应用。

纳米赤铁矿的制备方法一般有水热合成法、沉淀法、热解法、溶胶-凝胶法等，但每种合成方法都存在些许弊端。水热反应最大的缺点是难以重复及放大成批量实验、非可视性，只有对反应产物进行检查，才能决定是否调整各种反应参数；沉淀法中沉淀为胶状物，水洗、过滤困难，沉淀剂易作为杂质混入沉淀物或形成络合物，且合适的共沉淀剂寻找困难等；热解法要求原料必须溶于溶剂中；溶胶-凝胶法所使用的原料价格比较昂贵，整个溶胶-凝胶过程所需时间较长，常需要几天或几周。此外，这些化学合成法大都需要表面活性剂或者有机添加剂，对健康和环境都是有害的。因此，在各种氧化气氛中进行热氧化是制备纳米氧化铁最简单、最廉价、最直接的方法。

煤矸石是所有产煤国家在煤炭开采和加工过程中排放的岩石的混合物，一般被认为是一种固体废物，对环境有害。国家发改委的资料显示，目前我国大宗固废累计堆存量约600亿吨，其中煤矸石累计堆存量达70亿吨，且每年以3亿吨的排放量递增。煤矸石也是一种自然资源，可用作发电、烧结制砖、制陶瓷、微晶玻璃、制备分子筛等高附加值产品的原料，但其综合利用中涉及的热处理工艺会释放大量有害气体(CO₂、SO₂)，污染大气环境，煤矸石中黄铁矿的赋存情况及其热转化行为几乎影响和决定着煤矸石的利用方式、处理工艺、环境和经济性能。黄铁矿(FeS₂)形成于还原环境，常出现在煤系地层或煤层中，因此煤矸石中常含有较多的黄铁矿，特别是南方，例如四川、贵州、云南、广西等地的二叠纪煤层，由于地质历史时期成煤过程中受海水影响较大，煤系地层及煤层中含有较多的黄铁矿和黄铁矿结核。华北地区太原组下部的一些煤层，例如山西省太原组的9^#-15^#煤，这些煤层形成过程中受海水影响也比较大，煤及煤矸石中黄铁矿含量也较多。煤矸石中的黄铁矿在长期的堆放过程中被氧化且使矸石堆发生自然，释放大量的CO₂和SO₂，不仅污染环境，而且产生严重的温室效应。长期以来，对煤矸石的综合利用主要局限于制砖、制备混凝土原料、填埋、复垦、井下充填等，综合利用技术水平较低，经济效益较差。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用煤系固废中的黄铁矿制备纳米赤铁矿的方法，提高煤系固废资源化利用技术水平，为一种高附加值的煤炭固体废弃物的综合利用技术，具有重要的社会效益、环境效益和经济价值。

为实现本发明的上述目的，本发明采用如下技术方案：