[发明专利]一种锰掺杂纳米纤铁矿/碳泡沫复合材料、制备方法及应用

说明书

本发明提供了一种锰掺杂纳米纤铁矿/碳泡沫MFO/CF复合材料的制备方法。首先应用三聚氰胺泡沫碳化得到碳泡沫CF，将CF用乙醇处理后，放入KMnO₄溶液中，反应得到CF/MnO₂，将其与FeCl₃·6H₂O反应得到MFO/CF复合材料。本发明的MFO/CF复合材料将具有“氧化‑吸附”双功能的锰掺杂纳米纤铁矿MFO和具有宏观稳定结构的整体碳泡沫CF复合，发展一类整体支撑型MFO/CF材料。MFO/CF材料通过其功能和结构上的优势互补，能够克服铁基吸附剂去除高毒性As(III)能力的不足，解决纳米吸附剂易团聚、难回收、重复使用性能不佳等问题，有望实现对高砷地下水的高效、绿色、低成本改良。

技术领域

本发明涉及碳泡沫功能材料制备领域，尤其涉及一种锰掺杂纳米纤铁矿/碳泡沫复合材料、制备方法及应用。

背景技术

被砷污染的水无色，无味，透明度不变，可降低生化需氧量。污水中砷浓度如大于1毫克/升，会影响污水净化工程的净化效率。砷化合物在水中相当稳定，但如水温升高，沉积于河底的砷化合物会产生重新溶解的现象。砷对水生生物毒性很大。

目前，天然水体中，砷主要以砷酸盐(As(V))及亚砷酸盐(As(III))两种形式存在。还原性地下水条件下，As(III)为主要存在形式。与As(V)比较而言，As(III)毒性较强，对土壤、沉积物及金属氧化物等的亲和力较差，去除难度更大。目前主要应用铁锰氧化物/碳基复合材料吸附作用去除水中的砷。然而现有技术制备的铁锰氧化物/碳基复合材料主要以粉末状复合材料为主，不便于回收利用，并且制备过程较复杂不适用于工业生产。

例如以浸渍法/化学沉淀法制备铁锰氧化物/碳基复合材料用于除去水体污染中的砷，但其制备的吸附材料为粉末状，不利于重复回收利用(朱瑾，楼子墨，王卓行，等.铁锰氧化物/碳基复合材料的制备及其对水中砷的去除[J].化学进展，2014，26(9)：1551-1551.)。

中国专利CN102641722B提供了一种电化学强化碳纤维负载纳米铁锰吸附除砷材料及方法。在化学吸附除砷过程中耦合电吸附，在吸附过程中利用充电电容的电吸附作用强化对砷的去除效果，使用电化学方法除砷，但其制备过程复杂不适合大规模生产应用。

As(Ⅲ)和As(Ⅴ)在水中的存在形式有差异，As(Ⅲ)处于非离子状态呈电中性，而As(Ⅴ)以砷酸根离子形式存在，所以As(Ⅲ)比As(Ⅴ)更难去除，铁氧化物对As(Ⅲ)的去除效果不佳，而锰氧化物具有高氧化性，可将As(Ⅲ)氧化为As(Ⅴ)以提高As(Ⅲ)去除率。现有砷吸附材料大部分以铁氧化物为主，导致As(Ⅲ)的吸附效果不佳。

发明内容

基于此，本发明提供了一种锰掺杂纳米纤铁矿/碳泡沫复合材料的制备方法，该方法制备的碳泡沫功能材料负载均匀，泡沫整体结构完整，且易回收、重复利用性高。

本发明提供的锰掺杂纳米纤铁矿/碳泡沫复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将0.6g三聚氰胺泡沫放在氮气中，升温至500-700℃，保温2h，碳化得到碳泡沫CF；

(2)将步骤(1)得到的碳泡沫放入乙醇中，在70-85℃的温度下回流6-10h，使用去离子水清洗干净；

(3)将60-100mg回流处理后的碳泡沫放入250-350ml浓度为0.1-1mM的KMnO₄溶液中，保持温度为50-60℃水浴加热，搅拌至溶液变色，得到CF/MnO₂；

(4)将样品CF/MnO₂用去离子水冲洗干净，50℃烘干；