[发明专利]一种海胆状铁/锰二元纳米除镉材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种海胆状铁/锰二元纳米除镉材料及其制备方法，属于环境材料技术领域。

背景技术

镉易积存并损害肝、肾脏，对肾脏损害最为明显，还可导致骨质疏松和软化，严重威胁人体健康。随着科技的进步和工业的发展，许多行业（如冶炼、电镀、颜料、电池、采矿、核工业等）产生大量含有重金属镉的废水。未经适当处理的含镉废水排放，导致使镉污染事件频发。如，20世纪中叶发生在日本的痛痛病事件，起因是富士县神通川河水受到镉的污染，导致当地居民镉中毒，造成数百人死亡；2009年，湖南省浏阳市镇头镇双桥村镉污染事件，导致附近居民5人死亡，17.6%的人群尿镉超标；2012年，发生在广西省河池市龙江河段的镉污染事件，使得大量鱼类死亡，下游居民的饮用水安全也遭到严重威胁。因此，含镉水与废水的处理是当务之急，也是当前环境研究领域的难点之一。

目前，水环境中镉去除的主要方法有化学沉淀（如共沉淀、置换沉淀）、离子交换、溶剂萃取、膜分离以及吸附等方法。吸附法因其高效、低成本，是目前水体中镉去除的优选方法。吸附剂是吸附法的核心，因此，高效镉吸附剂的制备至关重要。现有吸附剂存在吸附容量低、选择性低或制备成本高等不足，如Bystrzejewski M. 等人（2009, Carbon）所制备的碳包覆磁性纳米微粒，其最大吸附容量只有1.77 mg/g （投加量为5.0 g/L，初始浓度C_i = 20 mg/L），Wang T. 等人（2013, Journal of Hazardous Materials）所制备的碳纳米管，则需要在130 ℃的条件下，加热72 h，能耗较大。铁氧化物以很多形式存在于自然界中，其价格低廉，分布广泛，对多种重金属具有较好的去除效果。纳米粒子由于其超高的比表面积，因此某些纳米材料对特定污染物具有高的吸附容量和快的吸附动力学。

本发明通过加热和pH调控，将铁盐溶液和锰盐溶液按特定比例混合，制备出具有较高比表面积的纳米级海胆状铁/锰二元氧化物，该氧化物可实现对水中二价镉Cd（Ⅱ）的高效吸附去除。该新型纳米吸附剂原材料来源广泛、价格低廉、制备方法简单、反应条件温和、环境友好，在水中镉的吸附去除方面具有较为广阔的应用前景。

发明内容

针对现有镉吸附剂的不足，本发明提供了一种具有吸附动力学快、吸附容量高、吸附pH适用范围广等优点的海胆状铁/锰二元纳米除镉材料及其制备方法。该发明是在加热和pH调控下，将铁溶液和锰溶液混合，制备出具有高比表面积的海胆状铁/锰二元纳米氧化物。其具体制备方法如下：

1)  将0.2-26.0 g铁盐和0.1-25.0 g锰盐分别溶解于0.2-20.0 L的去离子水中；然后，在强烈搅拌条件下，将铁溶液缓慢加入到锰溶液中，持续反应0.2-3.0 小时；

2)  在缓慢搅拌的条件下，将步骤1）所制溶液加热至沸腾，之后向溶液中缓慢加入碱，反应0.1-3.0 小时后停止加热和搅拌，冷却至室温；

3)  将上述步骤2）所制溶液的上清液倒去，用去离子水清洗数次，干燥备用。

本发明的原理及方法：本发明以铁盐溶液和锰盐溶液为原材料，通过加热和pH调控，制备出高比表面积的海胆状铁/锰二元纳米氧化物。本发明主要优点如下：

1)  本发明以铁盐和锰盐为原材料，仅需加热和酸碱调控，成本低，反应条件温和，环境友好；

2)  本发明材料制备简单，所制备材料比表面积大、沉淀速度快；

3)  本发明所制备的海胆状铁/锰二元纳米氧化物对镉具有吸附动力学快、吸附容量高、吸附适用pH范围广等优点。

附图说明

图1为实施例一条件下，海胆状铁/锰二元纳米氧化物扫描电子显微镜（SEM）图。

图2为实施例一条件下，海胆状铁/锰二元纳米氧化物的扫描电子显微镜能谱图（EDS）。

图3为实施例一条件下，海胆状铁/锰二元纳米氧化物对二价镉（Ⅱ）的吸附动力学图。

具体实施方式

下面结合实施案例对本发明作进一步阐述，本领域技术人员应当理解，所述实施例仅用于示例，而不对本发明构成任何限制。

实施例一：

1)  分别将12.6 g硫酸亚铁（FeSO₄·7H₂O）和1.2 g高锰酸钾（KMnO₄）各溶解于100 mL去离子水中，在搅拌条件下，将硫酸亚铁溶液缓慢加入到高锰酸钾溶液中，继续搅拌2.0小时，整个实验过程均在室温下进行；