[发明专利]一种用于染料去除的生物炭-纳米铁复合材料生物合成制备方法

说明书

本发明旨在基于生物法利用茶叶提取液还原三氯化铁制备纳米铁并将其负载到生物炭，制成生物炭‑纳米铁复合材料，在提高纳米铁的分散性和稳定性的同时保留了纳米铁的相关优点。茶叶提取液和生物炭在提高纳米铁的分散性、稳定性和抗氧化能力的同时能够提高对染料的去除效果。本发明操作简单、环境友好、成本低廉。

技术领域

本发明属于生物法制备生物炭-纳米铁复合材料以及利用生物炭-纳米铁复合材料去除染料的方法。

背景技术

纳米铁的传统制备方法按照反应性质主要可分为物理法和化学法两种。物理法主要包括高能球磨法、物理气相沉积法等。化学法主要包括液相还原法、碳热还原法、多元醇法、溶胶-凝胶法、共沉淀法等。但是物理法制备的颗粒形状不可控、粒径分布不均匀、纯度不高。而化学法中，通常使用硼氢化钠、硼氢化钾此类还原剂将二价铁或三价铁还原成零价铁。这些方法能耗大、装置要求高且会使用有毒还原剂。基于传统合成方法存在的一些问题，现已有研究人员提出用绿色合成的方法制备纳米铁。本课题基于生物法利用茶叶提取液作为还原剂制备纳米铁并将其负载于生物炭表面合成生物炭-纳米铁复合材料。

生物炭是在生物质(例如木材、农作物废弃物、植物组织和动物骨骼等)缺氧的情况下通过高温热解炭化，发生不完全燃烧热裂解后所形成的稳定的富碳产物。这种类型的碳材料具有一些理想的特性，包括比表面积大，离子交换能力出色，孔隙结构良好以及表面活性基团丰富，并且其在较宽的酸碱度和温度范围内都具有较好的吸附能力和去除率。将纳米铁负载在生物炭表面，可以有效改善纳米铁易团聚的问题，提高其分散性、稳定性以及反应性。

由于全球工业化和人口增长，来自各个工业部门的废水不断增加。每年，全球约有280，000吨用于纺织工业的染料作为工业废水排放。许多合成染料在纺织、染色、鞣革纸以及食品和农业部门的使用是有机污染物的主要来源。这些部门产生的废水不仅影响植物和水生生物的光合作用系统，还会将食物链系统从更小的层次爆发到更高的层次，并对人类致癌。超过50％的纺织废水含有具有-N＝N-键的偶氮染料。此类染料废水具有色度高、成分复杂、毒性强、难降解等特点。偶氮染料分子相对稳定，生物毒性强，难以通过生物方法处理，对环境构成严重威胁。因此解决染料废水的污染问题成为环境工作者关注的热点之一，具有重要的现实意义。

发明内容

本发明目的在于生物法制备生物炭-纳米铁复合材料及其对染料的降解性能。研究所述方法为：我们采用生物合成法制备纳米铁，利用茶叶提取液制备纳米铁，并将其负载在生物炭表面，用以去除染料废水。本发明是在大量的试验测试及文献、分析基础上得出其关键步骤包括以下几点：

1.向2支试管中分别加入5mL 100g/L的茶叶提取液和5mL 0.01M的三氯化铁溶液，向两支试管中分别通入氮气30min，以去除溶液的氧气。然后将5mL的100g/L的茶叶提取液加入到三氯化铁溶液中，在室温下，茶叶提取液加入三氯化铁后几乎瞬间由黄色变成了黑色即生成纳米铁，由紫外-可见光谱(UV-Vis)得出所生成的黑色物质与纳米铁典型吸收峰相同，说明纳米纳米铁被成功合成出来。由傅里叶红外光谱表明了植物提取液能够较好的增强纳米铁的稳定性。

2.玉米秸秆用去离子洗去表面杂质，置于105℃烘箱中，干燥12h。用破碎机粉碎后过100目筛得到玉米秸秆粉末。将玉米秸秆粉末置于瓷方舟内，放于管式炉里，氮气气氛下，以5℃/min的升温速率升至600℃，保温2h，冷却至室温后取出。用去离子水和无水乙醇交替水洗数次，80℃烘箱中，干燥12h，得到玉米秸秆生物炭(SBC)。

3.称取10g茶叶于100ml去离子水中，80℃煮1h，真空抽滤得到绿茶提取液备用。配制0.01M三氯化铁溶液。称取一定量SBC于50ml氯化铁溶液中(BC∶Fe＝5∶1)，通氮气条件下磁力搅拌30min，加入绿茶提取液继续搅拌30min，然后离心过滤，50℃真空烘箱干燥12h，得到玉米秸秆生物炭-纳米铁复合材料(SBC-nZVI)，密封避光保存。其中使用的茶叶提取液和去离子水均进行过去氧操作。由扫描电子显微镜图表明生物炭提高了纳米铁的分散性，有效防止了纳米铁的团聚。