[发明专利]一种铁磁性碳基复合材料及其制备方法与应用

说明书

本发明提供了一种铁磁性碳基复合材料的制备方法，所述制备方法是将负载氧化石墨烯的活性炭加入亚铁离子溶液进行浸渍，之后经炭热反应得到铁磁性碳基复合材料，可进一步在亚铁离子溶液浸渍之后加入非铁金属盐进行二次浸渍得到双金属负载的铁磁性碳基复合材料。本发明所述制备方法预先将氧化石墨烯负载到活性炭上以提供更多的负载位点并使金属负载更均匀；负载γ‑Fe₂O₃实现磁性分离且磁性γ‑Fe₂O₃更加稳定；通过炭热反应实现氧化石墨烯的同步还原，增大比表面积，提高吸附效率；也可以进一步负载非铁金属增强抑菌作用；对阴离子或有机污染物有较好的去除效果且量产难度低。

技术领域

本发明属于环保材料制备技术领域，具体涉及一种铁磁性碳基复合材料及其制备方法与应用。

背景技术

活性炭的生产和使用是农林固体废弃物资源化利用的典型代表。由于其比表面积大、孔隙发达、表面组成可调控、价格低廉、适用范围广等优势而被广泛应用于环境修复领域。吸附量、吸附效率和吸附选择性是评价活性炭性能的重要指标，针对以上指标开发新型活性炭是目前吸附研究领域的重要课题，也是实际应用技术革新和突破的关键环节。

活性炭的吸附性能主要由其物理孔隙结构和表面化学性质共同决定的。活性炭分为颗粒和粉末活性炭两种形态。粉末活性炭具有更大的比表面积和孔隙结构，相同体积下表面活性位点更多，污染物分子进入孔道的阻力更小，床层停留时间更长，吸附性能更佳。但粉末活性炭在环境修复过程存在流失问题及使用后从环境介质中难分离的问题。同时，粉末活性炭的吸附过程往往只发生相转移，而污染物未发生彻底降解或转化，仍存在二次污染的风险；再者，粉末活性炭表面的微生物生长给微生物安全性带来潜在的威胁。

一方面，从使用后从环境介质中分离的角度分析，磁性铁氧化物可作为分离的主要媒介，同时它可吸附甚至降解或转化污染物。显然，通过磁性分离可减少成型环节，降低成本，且不存在二次污染，但四氧化三铁存在进一步氧化导致磁性减弱或消失的问题。

另一方面，如何在环境条件下吸附并降解或转化水中的污染物同时抑制微生物的繁殖，对环境修复和安全使用而言非常关键。向铁磁性碳基材料中掺杂其他非铁金属或金属氧化物是实现同时吸附和转化降解污染物的有效途径之一，但目前制备双金属复合材料的方法以液相沉淀或水热法为主，制备过程需加入氨水或其他沉淀剂，制备过程复杂，调控困难。

CN110711554A公开了一种一步法制备磁性活性炭的方法，采用棉纺织废料浸渍乙醇-氯化铁溶液若干小时后再通过厌氧热解炭化与铁活化制备得到磁性活性炭。该方法以乙醇作用溶剂溶解氯化铁，其使用量大，而乙醇的价格昂贵，进而导致制备成本高。同时，使用棉纺织废料制备的活性炭强度不足，在水处理过程中易流失，对水体产生二次污染。

CN111921491A公开了一种以三价铁盐和锰、钴、镍、锌等二价金属盐为前体物，通过调节pH值及高温高压反应8-24h制备得到磁性活性炭并用于强化混凝的工艺。该工艺中活性炭表面形成了尖晶石结构的铁酸盐类材料，但是该工艺中反应过程采用高温高压反应设备以及反应时间过长不利于量产，且成本较高，从而限制实际应用。

CN109731546A涉及一种氧化锌/四氧化三铁/活性炭纳米废水处理剂制备和使用方法，该方法首先将FeCl₂·4H₂O与FeCl₃·6H₂O按比例溶解后加入活性炭，超声后用氨水调pH≥11，之后转入水热反应釜进行反应得到复合材料；第二步向复合材料中加入六水合硝酸锌，用氨水调pH≥11，超声后转入水热反应釜反应，洗涤、干燥后得到氧化锌/四氧化三铁/活性炭纳米废水处理剂，能高效处理有机污染物。但是，该方法用到了氨水沉淀剂，制备过程复杂，而且四氧化三铁存在进一步氧化导致磁性减弱或消失的问题，同时，该方法制备的废水处理剂能否抗菌也是未知的。

综上所述，还需要开发新的磁性活性炭，使其实现高效吸附的同时，能够长时间保持稳定的磁性，并实现污染物的转化或降解。

发明内容