[发明专利]电化学强化纳米铁锰负载碳纤维吸附除砷材料及方法

说明书

技术领域

本发明属于电化学与纳米技术在环境领域的应用，具体涉及一种电化学强化纳米铁锰负载碳纤维吸附除砷材料及方法。

背景技术

吸附法主要利用具有大的有效表面积或吸附基团的吸附剂，选择性去除水中以砷酸根/亚砷酸根离子形式存在的砷。该方法引入的杂质离子较少，应用形式灵活，材料通过再生可重复利用，因此成为目前除砷技术研究的热点。常见的吸附剂有铁铝氧化物、活性碳、功能树脂、稀土元素以及各种天然矿物等。由于地下水中砷以三价砷占为主，而上述吸附剂对三价砷的吸附能力很有限，再生性差，限制了它们在地下水除砷工艺中的应用。

天然改性吸附剂、纳米材料吸附剂和某些含铁吸附材料具有良好的除砷性能。Guha等人报道，可以用作砷吸附剂的材料有天然珊瑚、膨润土、沸石、红泥、椰子壳、涂层砂、活性氧化铝和活性碳，以及天然或合成的金属氧化物及其水合氧化物等。铁锰复合氧化物/硅藻土除砷吸附材料(CN2006100081358)有效提高了材料吸附容量及其吸附砷的动力学反应速度，但仍由于其呈粉末状，沉降过快而难以有效沉降去除水中的砷。专利(CN200910084977.5)技术将铁基复合氧化物/硅藻土按不同铁锰比例和粒径填充过滤除砷效果明显，但由于存在锰离子和砷酸根离子不断迁移，并没有涉及到吸附剂的再生问题。李圭白等开发的复合氧化絮凝剂(CN200410058308.8)在水中吸附时间长，但在除砷过程中要求强力混合和水力学搅拌才能较好絮凝；此外，氧化铁-氧化铝复合纳米材料(CN200710118307.1)能够有效去除水中砷、氟等污染物，但材料制备工艺复杂，成本昂贵。

综上所述，虽然这些材料或方法成本低廉，可以通过制备改性提高吸附量，但面临吸附剂与砷之间的吸附作用越强，则往往会对吸附剂的再生、回收和再利用的难度越大，难以保证吸附和再生的双向强化。按照目前的吸附与解吸工艺，吸附剂吸附容量越大、吸附效率越高，其再生就越困难。因此在强化吸附效率的基础上如何提高再生效率，降低成本，减少废液的产生，是当前除砷吸附剂再生技术工艺面临的难题。本发明通过电化学强化负载吸附剂的制备，开发强化吸附与再生方法，解决吸附剂循环利用性不高、三价砷的吸附效率低、吸附剂吸附量受限等技术与方法问题，为现代吸附除砷技术突破与工程化应用提供突破口。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的缺点，本发明的目的在于提供一种电化学强化纳米铁锰负载碳纤维吸附除砷材料及方法，采用本发明材料和方法既能够强化高吸附效果又能够强化快速再生能力。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种电化学强化纳米铁锰负载碳纤维吸附除砷材料，通过在基底材料表面电化学沉积负载纳米铁锰氧化物。

所述基底材料为碳纤维丝、碳纤维毡或石墨碳纤维毡，形状为圆筒形或平板形，纤维直径为2～5μm，使用三维电极时，所述基底材料为活性碳。

所述电化学强化纳米铁锰负载碳纤维吸附除砷材料的制备方法：所述基底材料在电沉积负载时接直流电源阴极，通过惰性导电极板连接，反应溶液接直流电源正极，所加电场强度为2～10V，向反应溶液中投加可溶性淀粉搅拌并超声至反应溶液变为透明，可溶性淀粉投加量为1L反应溶液加2～30g，向反应溶液中添加摩尔比3∶1的KMnO₄和FeSO₄·7H₂O颗粒，所加入的KMnO₄和FeSO₄·7H₂O颗粒与反应溶液的重量为1L反应溶液加40～60g，向反应溶液中加NaOH溶液，加入后氢氧化钠浓度为0.1～0.3mol/L，电场强化负载过程在70～90℃的水浴中进行0.5～2h，随后将负载上铁锰的基底材料放入马弗炉中加热到250～300℃进行碳化，温度上升速率为5～7℃/min，升到250～300℃后保温0.5～2h。

所述基底材料可以用硝酸改性、强碱改性或不改性。

所述可溶性淀粉为优先投加，KMnO₄和FeSO₄·7H₂O颗粒以及NaOH溶液向反应溶液中加入时无先后顺序要求。

所述基底材料用强碱改性浓度为0.1～0.5mol/L的氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液浸泡10～30min改性。

所述基底材料用强酸改性浓度为0.1～0.2mol/L的硝酸溶液或硫酸溶液浸泡10-30min改性。

所述电化学强化纳米铁锰负载碳纤维吸附除砷材料的除砷方法：包括如下步骤：