CN103551113A

CN103551113A - 一种稻壳基炭负载纳米四氧化三铁颗粒的制备方法及利用其处理含铅废水的方法

Info

Publication number: CN103551113A
Application number: CN201310580963.9A
Authority: CN
Inventors: 罗斯; 王帆; 彭亮; 曾清如
Original assignee: Hunan Agricultural University
Current assignee: Hunan Agricultural University
Priority date: 2013-11-18
Filing date: 2013-11-18
Publication date: 2014-02-05

Abstract

一种稻壳基炭负载纳米四氧化三铁颗粒（RC-Fe₃O₄）的制备方法及利用其处理含铅废水的方法，具体内容为以稻壳和铁盐为原料，采用过程简单的浸渍-碳热制备法制得RC-Fe₃O₄粉末，吸附废水中的重金属铅离子。利用该材料可以大量吸附废水中的铅离子，并可在外加磁场的作用下进行分离，达到铅离子的高效去除和废水净化的目的，金属离子的去除率可达到97%，且RC-Fe₃O₄材料可以再生使用。

Description

一种稻壳基炭负载纳米四氧化三铁颗粒的制备方法及利用其处理含铅废水的方法

技术领域

本发明涉及一种稻壳基炭负载纳米四氧化三铁颗粒（RC-Fe₃O₄）的制备及用其处理含铅废水的方法，具体内容为以稻壳和铁盐为原料，采用过程简单的浸渍-碳热制备法制得RC-Fe₃O₄粉末，吸附废水中的重金属铅离子。

背景技术

重金属是造成环境污染的一类有毒物质。我国是世界第三大矿业大国，矿产的开采、冶炼和加工等过程给环境带入了大量的重金属。铅及其化合物是一类毒性很大的环境污染物，被人体吸收后主要损害骨骼、造血***和神经***，引起贫血、末稍神经炎，还可随血液流入脑组织，干扰新陈代谢活动，引起脑损伤。铅污染最可怕的危害在于其一旦进入水体或土壤，就难以去除甚至造成永久性的污染。因此，对含铅废水进行有效处理成为环境治理中越来越突出的问题。目前，含铅废水的处理方法主要有化学沉淀法、离子交换法、反渗透法、电解法、膜分离法等。而吸附法是最具前景的处理方法之一。

自富勒烯和碳纳米管被发现以来，在世界范围内便掀起了碳材料的研究热潮。碳材料以其稳定的化学性能、独特的物理和电磁学性能等优点，被广泛应用于化工、机械、冶金、电子、环保等领域。然而，随着我们对能源的需求量不断增大，石化燃料的供应日益紧张，对碳材料的发展和应用造成了很大限制，因而迫切需要其他能源的补充与替代。生物质是唯一可再生的碳源，且来源丰富、价格廉价，成为代替石化碳源制备碳材料的最佳选择。其中，利用农业废弃物生物质制备活性炭是一种既可减少环境污染，又可拓宽能源渠道的新模式。我国是水稻种植大国，当前的总产量居世界首位。稻壳是稻米加工过程中的主要副产品，我国每年稻壳产量可达数千万吨。稻壳的主要成分是纤维素、半纤维素、木质素和少量矿物盐，主要元素是碳、氢、氧、硅，含碳量极高，是十分优良的活性炭制备原料。

活性炭由于具有较大的比表面积，可在其表面或孔道中负载多种金属或非金属，以制备新型功能复合材料。这种复合材料可同时兼顾每种材料的优点，使材料的性能得到优化。活性炭与金属复合得到的复合材料常用于环境污染修复领域中吸附剂或催化剂的制备。这种方法能够提高活性炭吸附性的原因，一方面利用金属粒子对某些污染物（包括铅）具有很好的结合能力；另一方面则是利用均匀分散的金属粒子可有效增加复合材料与污染物的接触位点。

发明内容

本发明目的在于提供一种稻壳基炭负载纳米四氧化三铁颗粒的制备方法及利用其处理含铅废水的方法，使得本发明所制备的稻壳基炭负载纳米四氧化三铁颗粒中纳米四氧化三铁颗粒分散且不易脱落，储存于常温常压下即可，且对铅的吸附率高。

为达到上述目的，本发明稻壳基炭负载纳米四氧化三铁颗粒的制备方法，包括下列步骤：

（A）将稻壳用纯水漂洗3-5次，105℃烘干24小时，碾碎过80目筛，得稻壳粉；

（B）配制摩尔浓度为0.5～5mol/L的FeCl₃·6H₂O溶液，充分搅拌直至FeCl₃·6H₂O完全溶解，得到FeCl3溶液；

（C）按1:5～20质量体积比将稻壳粉浸入上述FeCl₃溶液中，50-70℃搅拌12小时，离心分离后，80-100℃烘干，得浸渍的稻壳粉；

（D）将得浸渍的稻壳粉在流速为30-50mL/min持续氮气流下热解，升温程序为：从室温以10-20℃/min升至800℃，保持60-120min，冷却后即得稻壳基炭负载纳米四氧化三铁颗粒，即RC-Fe₃O₄材料。

为达上述目的，本发明还提供了一种利用上述稻壳基炭负载纳米四氧化三铁颗粒处理含铅废水的方法，其包括：

（A）在质量浓度为1-1000mg/L含铅废水中加入稻壳基炭负载纳米四氧化三铁颗粒，并使其在含铅废水中的质量浓度为0.1-2.0g/L；

（B）将步骤（A）所得的混合溶液于室温和转速为250rmp的条件下振荡60-120min，即可去除含铅废水中的铅离子。

上述利用稻壳基炭负载纳米四氧化三铁处理含铅废水的方法，还可进一步将经步骤（B）处理后的稻壳基炭负载纳米四氧化三铁颗粒用磁铁吸附，集中起来后，用去离子水清洗后，再次投入含铅废水的处理。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

（1）本发明在稻壳上修饰磁性四氧化三铁粒子，并能将其运用于含铅废水的处理，不仅原料廉价易得，降低了生产成本，真正实现了“以废治废”，且本发明的制备过程简单，易于操作和控制，便于进行大量生产。

（2）本发明使用的稻壳基炭负载纳米四氧化三铁颗粒表面积大，吸附能力强，对铅的处理效果显著，在较短时间内即可达到平衡，去除率高达90%以上。

（3）本发明制备的稻壳基炭负载纳米四氧化三铁颗粒能有效提高活性炭的对铅吸附能力，且吸附后的材料通过外加磁场进行固液分离，不仅吸附后的材料可以经再生后回用，实现资源的回收利用，而且可以有效缩短吸附后的固液分离时间，整个过程快速、高效。

附图说明

图1为RC-Fe₃O₄的光学显微镜观察结果；

图2为RC-Fe₃O₄的TEM观察结果；

图3为RC-Fe₃O₄的XRD表征结果；

图4为本方法去除含铅废水中铅离子的动力学曲线，RC-Fe₃O₄添加量为0.1g，铅离子质量浓度为500mg/L。

具体实施方式

以下结合实例进一步说明本发明的可行性和稳定性。

实例一：

（1）取2g稻壳用适量纯水漂洗3次，105℃烘干24小时，碾碎过80目筛，得稻壳粉；称取5.4g FeCl₃·6H₂O加入到20mL蒸馏水中，充分搅拌溶解得1mol/L FeCl₃溶液；而后将上述稻壳粉浸入FeCl₃溶液中，60℃300r/min搅拌12小时，离心分离后80℃烘干；将浸渍后的稻壳粉磨碎，在30mL/min持续氮气流下热解，升温程序为：从室温以10℃/min升至800℃，保持60min；在管式炉中冷却后取出，即得到稻壳基炭负载纳米四氧化三铁颗粒，也即RC-Fe₃O₄颗粒。

（2）称取0.03g稻壳基炭负载纳米四氧化三铁置于100mL的PVC小瓶中，加入100mL、铅离子质量浓度为100mg/L的含铅废水。盖紧瓶盖后，将样品瓶放在振荡器内，于室温下250转/分振荡60分钟，然后过滤取滤液测定剩余铅离子浓度，计算得到去除率为100%，RC-Fe₃O₄对铅离子的提取量为333.3mg/g。将吸附后的RC-Fe₃O₄材料通过外加磁场集中起来，用去离子水洗一遍，再次加入100mL、100mg/L的含铅废水，重复上述步骤，铅离子去除率为95.3%。

实例二：

（1）取2g稻壳用适量纯水漂洗4次，105℃烘干24小时，碾碎过80目筛，得稻壳粉；称取5.4g FeCl₃·6H₂O加入到10mL蒸馏水中，充分搅拌溶解得2mol/L FeCl₃溶液；而后将上述稻壳粉浸入FeCl₃溶液中，50℃300r/min搅拌12小时，离心分离后90℃烘干；将浸渍后的稻壳粉磨碎，在40mL/min持续氮气流下热解，升温程序为：从室温以15℃/min升至800℃，保持60min；在管式炉中冷却后取出，即得到RC-Fe₃O₄颗粒。

（2）称取0.05g RC-Fe₃O₄置于100mL的PVC小瓶中，加入100mL、铅离子质量浓度为200mg/L的含铅废水。盖紧瓶盖后，将样品瓶放在振荡器内，于室温下250转/分振荡80分钟，然后过滤取滤液测定剩余铅离子浓度，计算得到去除率为97%，RC-Fe₃O₄对铅离子的提取量为388mg/g（具体实验结果参见图4）。

实例三：

（1）取3g稻壳用适量纯水漂洗5次，105℃烘干24小时，碾碎过80目筛，得稻壳粉；称取10.8g FeCl₃·6H₂O加入到40mL蒸馏水中，充分搅拌溶解得1mol/L FeCl₃溶液；而后将上述稻壳粉浸入FeCl₃溶液中，70℃300r/min搅拌12小时，离心分离后100℃烘干；将浸渍后的稻壳粉磨碎，在50mL/min持续氮气流下热解，升温程序为：从室温以20℃/min升至800℃，保持80min；在管式炉中冷却后取出，即得到RC-Fe₃O₄颗粒。

（2）称取0.1g RC-Fe₃O₄置于100mL的PVC小瓶中，加入100mL、铅离子质量浓度为500mg/L的模拟含铅废水。盖紧瓶盖后，将样品瓶放在振荡器内，于室温下250转/分振荡90分钟，然后过滤取滤液测定剩余铅离子浓度，计算得到去除率为92.6%，RC-Fe₃O₄对铅离子的提取量为463mg/g。

实例四：

（1）取4g稻壳用适量纯水漂洗3次，105℃烘干24小时，碾碎过80目筛，得稻壳粉；称取20.25g FeCl₃·6H₂O加入到50mL蒸馏水中，充分搅拌溶解得1.5mol/L FeCl₃溶液；而后将上述稻壳粉浸入FeCl₃溶液中，60℃300r/min搅拌12小时，离心分离后80℃烘干；将浸渍后的稻壳粉磨碎，在45mL/min持续氮气流下热解，升温程序为：从室温以10℃/min升至800℃，保持120min；在管式炉中冷却后取出，即得到RC-Fe₃O₄颗粒。

（2）称取0.15g RC-Fe₃O₄置于100mL的PVC小瓶中，加入100mL、铅离子质量浓度为700mg/L的模拟含铅废水。盖紧瓶盖后，将样品瓶放在振荡器内，于室温下250转/分振荡120分钟，然后过滤取滤液测定剩余铅离子浓度，计算得到去除率为94.1%，RC-Fe₃O₄对铅离子的提取量为439.1mg/g。将吸附后的材料集中起来，用去离子水洗一遍，再次加入100mL、700mg/L的模拟含铅废水，重复上述步骤，铅离子去除率为85.2%。

实例五：

（1）取2g稻壳用适量纯水漂洗3次，105℃烘干24小时，碾碎过80目筛，得稻壳粉；称取5.4g FeCl₃·6H₂O加入到40mL蒸馏水中，充分搅拌溶解得0.5mol/L FeCl₃溶液；而后将上述稻壳粉浸入FeCl₃溶液中，70℃300r/min搅拌12小时，离心分离后80℃烘干；将浸渍后的稻壳粉磨碎，在30mL/min持续氮气流下热解，升温程序为：从室温以12℃/min升至800℃，保持60min；在管式炉中冷却后取出，即得到RC-Fe₃O₄颗粒。

（2）称取0.2g RC-Fe₃O₄置于100mL的PVC小瓶中，加入100mL、铅离子质量浓度为1000mg/L的模拟含铅废水。盖紧瓶盖后，将样品瓶放在振荡器内，于室温下250转/分振荡70分钟，然后过滤取滤液测定剩余铅离子浓度，计算得到去除率为90.8%，RC-Fe₃O₄对铅离子的提取量为454mg/g。

本发明并不限于以上具体实施例。

Claims

1.一种稻壳基炭负载纳米四氧化三铁颗粒的制备方法，其特征在于包括下列步骤：

（B）配制摩尔浓度为0.5～5mol/L的FeCl₃·6H₂O溶液，充分搅拌直至FeCl₃·6H₂O完全溶解，得到FeCl₃溶液；

（D）将浸渍的稻壳粉在流速为30-50mL/min持续氮气流下热解，升温程序为：从室温以10-20℃/min升至800℃，保持60-120min，冷却后即得稻壳基炭负载纳米四氧化三铁颗粒，即RC-Fe₃O₄材料。

2.一种利用权利要求1所述稻壳基炭负载纳米四氧化三铁颗粒处理含铅废水的方法，其特征在于包括：

（B）将步骤（A）所得的混合溶液于室温和转速为250rpm的条件下振荡60-120min，即可去除含铅废水中的铅离子。

3.根据权利要求2所述的利用稻壳基炭负载纳米四氧化三铁处理含铅废水的方法，其特征在于：将经步骤（B）处理后的稻壳基炭负载纳米四氧化三铁颗粒用磁铁吸附，集中起来后，用去离子水清洗后，再次投入含铅废水的处理。