[发明专利]磁性载铁有序介孔碳及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种介孔材料及其制备和在废水处理领域中的应用，尤其涉及一种载铁有序介孔碳及其制备和在处理水体六价铬中的应用。

背景技术

重金属元素六价铬广泛存在于合金、钢铁制造以及皮革生产等工业废水中，具有很高的毒性、致癌性以及水溶性，其毒性甚至比同类的Cr（III）高出数百倍，严重危害到人类的生命健康。因此，水体中六价铬的去除在国内外引起了广泛的关注。

目前，去除水体中六价铬的方法主要有：离子交换法、化学沉淀法、氧化还原法和吸附法。其中，氧化还原法和吸附法由于其成熟的技术、快速方便的操作、较低的成本以及较高的处理效率，引起了人们的兴趣和关注。

有序介孔碳具有大的比表面积、孔体积、较高的水热稳定性和独特的物化性质，在水体污染物的吸附去除方面具有很大优势，而纳米铁粒子也因为其优异的还原能力和磁性分离能力在水处理方面受到越来越多的关注；同时，其与水体中铬离子独特的螯合能力也能增强吸附剂对水体中六价铬的去除能力。然而，由于纳米级颗粒固有的团聚性以及低价铁的易氧化性，纳米级铁粒子的应用受到限制。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种具有大比表面积和孔体积、适用范围广、理化性质稳定的可用于处理重金属废水的磁性载铁有序介孔碳，还提供一种工艺步骤简单、实用性强的磁性载铁有序介孔碳的制备方法，还相应提供磁性载铁有序介孔碳在去除水体中重金属六价铬离子的应用，该应用具有去除量大、去除效率高、受外界影响小、去除效果稳定可靠、且吸附剂可回收利用等优点。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种磁性载铁有序介孔碳（Fe/CMK-3），其是以有序介孔碳为载体，所述载体通过硬模板法制备得到，有序介孔碳的比表面积高达675m²/g～700m²/g，磁性纳米粒子通过纳米共浇铸法负载在载体上（镶嵌在有序介孔碳的孔道内外）；磁性纳米粒子主要由零价铁和铁的氧化物组成，铁的氧化物包含四氧化三铁和/或γ–三氧化二铁（孔道内部包含有α-Fe、Fe₃O₄，而外部部分形成了γ-Fe₂O₃），磁性纳米粒子中铁元素的配量按硬模板法中每克介孔硅模板原料配1mmol～1.5mmol铁元素（即铁源物质）计，所述磁性载铁有序介孔碳的孔径分布主要集中在5nm（4.5nm～5.5nm）和3.8nm（3.5nm～4nm）附近区域，所述磁性载铁有序介孔碳的颗粒尺寸介于2nm～50nm之间。

作为一个总的技术构思，本发明还提供了一种磁性载铁有序介孔碳的制备方法，包括以下步骤：

（1）初次碳源填充：将铁源物质（优选硝酸铁及其水合物、或者氯化铁及其水合物）、蔗糖溶于硫酸溶液中，形成多元混合物，浸渍介孔硅SBA-15模板，进行初次碳源填充，每克介孔硅SBA-15模板原料优选配1mmol～1.5mmol的铁源物质，然后采用两段式热处理，得到初步C/Si复合物；

（2）二次碳源填充：为使碳源充分饱和，用含蔗糖的硫酸溶液（上述未添加铁源的多元溶液）浸渍所述初步C/Si复合物，进行二次碳源填充，然后采用两段式热处理，得到碳饱和浸渍复合物；

（3）高温碳化：在氮气氛围中，以3℃/min～5℃/min升温速率升温至850℃～900℃进行恒温高温碳化4h～6h，制备出Fe/C-Si复合物，再使用加热后的NaOH溶液（80℃～90℃）脱出硅模板，经水洗、磁性分离、真空干燥后即得到磁性载铁有序介孔碳。

本发明上述的磁性载铁有序介孔碳主要是通过硬模板法和纳米共浇铸法共同作用生成，利用纳米共浇铸法将铁纳米粒子负载在介孔碳上，不仅对材料提供磁性，方便吸附分离再生，而且对水体中六价铬离子进行吸附和还原双重去除功能，对水体Cr（VI）的去除具有重大意义。

如果在上述本发明的步骤（1）中不添加铁源，则相同条件下可制备出普通的有序介孔碳（CMK-3）产品。