[发明专利]一种利用低阶煤制备的炭基-纳米零价铁复合材料及方法

说明书

本发明公开了一种利用低阶煤制备的炭基‑纳米零价铁复合材料及方法，它是由脱灰后的低阶煤和FeSO₄溶液按照FeSO₄与低阶煤质量比为1:20的比例，经水浴、振荡、过滤、真空干燥后，在氮气气氛下直接高温煅烧而成的。本发明同时利用低阶煤的吸附性和相关物质的还原性，实现了一步法合成所需材料，既省去了现有技术需要加入还原剂的步骤，也无需加入有机溶剂，操作简单，耗时短长，成本低,对环境没有污染。

技术领域

本发明涉及材料制备领域，具体涉及一种用于净化水中污染物的炭基-纳米零价铁复合材料的制备方法。

背景技术

随着经济的发展，水污染问题日益突出，威胁着人类的生命健康。纳米零价铁颗粒小、比表面积大、反应活性高，被认为是一种新型的净化材料。尤其在重金属废水、难降解有机物的净化中有着客观的效果。但纳米零价铁易团聚，往往不能与水中污染物充分接触，导致效率降低。

以活性炭为代表的炭基材料是一种广泛应用的吸附剂，其比表面积大，吸附效率高，但是其选择吸附能力差。如果把纳米零价铁负载到这类材料上，能够使其的应用更有针对性，并且解决了纳米零价铁易团聚的问题，从而提高吸附效率。

活性炭负载纳米零价铁的方法主要有物理法和化学法，与本发明有关的是化学法。

中国专利申请号2016111827977公开了一种纳米零价铁复合材料的制备方法及其应用，它是先制备玉米秸秆生物炭，生物炭用硝酸浸泡改性，洗涤至中性后烘干备用；在氮气环境中用液相还原法将FeSO₄·7H₂O还原成单质铁，并将其负载在生物炭上；将反应后溶液固液分离，获得生物炭负载纳米零价铁复合材料。该方法中不但需要先制备出活性炭，还在体系中另外加了还原剂KBH4，而且为了提高纳米零价铁复合材料在活性炭上的分散度，引入了分散剂聚乙烯吡咯烷酮(PVP)以及乙醇溶剂有机材料，导致制备步骤复杂，耗时长，成本高,对环境造成污染。

为了简化制备工艺，减少对环境的污染，《环境工程学报》第10期(2016年10月，作者吴锦华、钟家炜等)公开了“一步还原焙烧法制备炭载零价铁及其对水中Cr(Ⅵ)的去除”一文，该文章选用活性炭作为还原剂一步焙烧制得了炭载零价铁材料。虽然简化了工艺，但是却大大提高了制作成本，导致一步还原焙烧得到的炭载零价铁材料无法大面积推广。引起成本高的原因有三个：一是直接用活性炭作为还原剂，本领域公知，活性炭是人造材料，对于吸附领域所用的活性炭，最常用的是煤基炭(以无烟煤、长焰煤、弱粘煤、不粘煤、褐煤等为原料)和生物质炭(以木屑、果壳等为原料等为原料)，这些活性炭一般都选用高含碳量的原料，采用物理/化学工艺对原料进行处理，存在的主要问题是制备工艺较为复杂并且能耗较高。因此，如果仅利用活性炭的还原性制备炭载零价铁材料，显然是大材小用；二是由于活性炭是固态，在煅烧时，铁的还原为固相反应，反应仅发生在零价铁前体(论文中为硝酸铁)与活性炭的接触面，这导致了反应效率较低，这就要求提高煅烧温度和延长煅烧时间，从该文献中公开的煅烧温度为1000度，煅烧时间为4h可以证明这一点；三是由于活性炭是通过人工处理得到的，作为还原剂时候反应单一，仅仅碳元素参与了反应，要想使最终制备的材料吸附性得到保证，在煅烧时候势必要加入更多的零价铁前体，在该文献中，每克载体(活性炭)所需要的铁为0.025摩尔，在试剂用量如此大的条件下，最后制备的炭载零价铁材料对50mg/L水中Cr(Ⅵ)的去除效率才86.8％，付出的成本和得到的效益是完全不对等的。基于上述原因，使得该文献提供的技术作为研究性论文尚可，要想在工业上大面积推广不太现实。

低阶煤是指处于低变质阶段的煤，具有水分大、发热量低、挥发分高的特点，难以储存和远距离运输，也不适合作为燃料。但是由于低阶煤具有丰富的表面官能团，在一定条件下能够形成发达的孔隙结构，除用作燃料，燃料电池、催化剂或载体外，还可以作为过滤剂和处理废水的吸附剂。目前在处理废水方面主要是将低阶煤通过物理或化学活化处理制备活性炭，利用活性炭的吸附性能实现污水的净化，但是由低阶煤制备活性炭的吸附能力较差，这就制约了其大规模的开发利用。因此实现其高附加值利用是目前较为迫切的技术问题。

发明内容