CN114029040A - 一种二硫化铁树脂复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于水处理技术领域，具体涉及一种二硫化铁树脂复合材料及其制备方法和应用。本发明提供一种二硫化铁树脂复合材料，包括树脂以及分布在树脂孔隙中的二硫化铁，其中，二硫化铁与树脂的质量比为(0.1‑0.2)：1，二硫化铁的粒径为5‑50nm。本发明提供的二硫化铁树脂复合材料理化性能稳定，抗干扰能力强，对水中的重金属具有高吸附容量，且易于分离。同时，二硫化铁分布在树脂孔隙中，还能有效避免二硫化铁的集聚，增强反应活性，另外，复合材料易于回收利用，经济性强。
Description
技术领域
本发明属于水处理技术领域，具体涉及一种二硫化铁树脂复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
随着经济社会的迅速发展，环境污染问题日益严重。工业、采矿业和制造业等产生了大量的含有重金属离子废水，未经有效处理就排入环境将对人类健康和生态安全造成巨大威胁。因此，针对水污染问题合理设计高效修复材料是当前面临的挑战。
天然铁硫矿物分布广泛，环境友好，可以作为潜在的环境修复材料。例如，现有技术公开了一种生物吸附材料与负载型树脂组合脱除重金属的方法，其中制备负载纳米硫化物粒子的操作步骤为，将阳离子树脂材料，按照1g/5ml-1g/50ml的固液比例，投入到含有锌或亚铁离子的水溶液中，分理出其中的树脂颗粒，投入到0.1-1M的Na2S溶液中，搅拌浸泡10小时，分离收集树脂，水洗至中性后烘干，即得到负载了硫化锌或硫化亚铁的树脂基吸附材料。但是，该方法得到的是硫化亚铁或硫化锌，其理化性质不稳定，易氧化失活。相比于二硫化铁，硫化亚铁树脂含硫量较少，导致吸附量较弱。
纳米二硫化铁对重金属离子具有较强的吸附能力。但现有技术中合成纳米二硫化铁是通过高温高压下反应釜合成、铁氧化物硫化、或是将黄铁矿高能球磨得到，制备设备要求和制备成本较高，且步骤繁琐，还存在一定的危险性。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中纳米二硫化铁制备条件要求高、具有一定危险性等问题，从而提供一种二硫化铁树脂复合材料及其制备方法和应用。
为此，本发明提供了以下技术方案
本发明提供一种二硫化铁树脂复合材料，包括树脂以及分布在树脂孔隙中的二硫化铁，
其中，二硫化铁与树脂的质量比为(0.1-0.2)：1，二硫化铁的粒径为5-50nm。
本发明还提供了一种二硫化铁树脂复合材料的制备方法，包括以下步骤：
浸渍：将阳离子交换树脂置于三价铁源溶液中进行浸渍、分离、烘干，得到铁离子浸渍树脂；
反应：将所述铁离子浸渍树脂与硫氢化物溶液混合，在密闭环境下进行反应、分离、干燥，得到二硫化铁树脂复合材料；
其中，控制反应体系pH为4.0-5.0。
可选的，阳离子交换树脂为商品阳离子交换树脂，典型非限定性的所述商品阳离子交换树脂为D001、001×7、IR120、D61中的一种；其还可以选择满足可交换阳离子条件的即可。
可选的，所述反应步骤中反应温度为40-80℃，反应时间为12-24h。
可选的，典型非限定的所述三价铁源为Fe2(SO4)3、Fe(NO3)3或FeCl3中的至少一种，其还可以选择满足水溶液中分散三价铁离子条件的即可；
典型非限定的所述硫氢化物为NaHS、NH4HS中的一种，其还可以选择满足在水溶液中分散硫氢根离子条件的即可。
可选的，所述三价铁源溶液浓度为0.1-0.5mol/L；
可选的，所述三价铁源溶液中的溶剂为甲醇或乙醇水溶液；
进一步可选的，溶液中甲醇或乙醇的体积浓度为10-50％。
可选的，所述硫氢化物溶液的浓度为0.1-0.5mol/L；
可选的，所述硫氢化物溶液中的溶剂为脱氧水。
可选的，所述浸渍步骤中，所述阳离子交换树脂与三价铁源溶液的固液比为10-100g/L；
所述反应步骤中，所述铁离子浸渍树脂与硫氢化物溶液的固液比为10-100g/L。
可选的，所述浸渍步骤在搅拌条件下进行，浸渍时间为12-24h；
所述浸渍步骤的烘干温度为40-80℃，烘干时间为12-24h；
所述反应步骤中采用缓冲溶液控制体系的pH；可选的，所述缓冲溶液为醋酸钠-醋酸缓冲溶液、磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲溶液、柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液中的至少一种；
所述反应步骤的干燥为真空干燥，干燥温度为40-80℃，干燥时间为12-24h；
可选的，在所述浸渍步骤之前对所述阳离子交换树脂经过0.05-0.2mol/L的酸液和去离子水分别漂洗，除杂处理；
所述酸液为盐酸、硫酸和硝酸中的一种；
所述除杂采用索氏提取法进行除杂；
所述干燥步骤之前还包括去离子水漂洗的步骤。
本发明还提供了一种二硫化铁树脂复合材料在处理废水中重金属离子的应用。
具体地，所述二硫化铁复合材料的制备方法可以为：
(1)将商品阳离子交换树脂用0.1M盐酸和去离子水分别漂洗，并用乙醇索氏提取以去除树脂孔道中的杂质；
(2)将树脂置于铁离子的20％乙醇-水溶液中，室温搅拌，使铁离子在树脂孔道中充分扩散，随后将树脂滤出烘干；
(3)将铁离子饱和树脂转移到脱氧水配制的硫溶液中，用缓冲溶液调节溶液pH，密闭体系后置于水浴锅中进行保温反应，使纳米二硫化铁在树脂孔道中限域生长；
(4)过滤后的复合树脂用去离子水反复漂洗，直至滤液电导率没有明显变化。随后进行真空干燥，即可得到纳米二硫化铁树脂复合材料。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的二硫化铁树脂复合材料包括树脂以及分布在树脂孔隙中的二硫化铁，其中，二硫化铁与树脂的质量比为(0.1-0.2)：1，二硫化铁的粒径为5-50nm。所述二硫化铁树脂复合材料理化性能稳定，抗干扰能力强，对水中的重金属具有高吸附容量，且易于分离。二硫化铁分布在树脂孔隙中，还能有效避免二硫化铁的集聚，增强反应活性，另外，复合材料易于回收利用，经济性强。
2.本发明提供一种二硫化铁树脂复合材料的制备方法，包括以下步骤，浸渍：将阳离子交换树脂置于三价铁源溶液中进行浸渍，分离，烘干，得到铁离子浸渍树脂；反应：将所述铁离子浸渍树脂与硫氢化物溶液混合，在密闭环境下进行反应，分离，干燥，得到二硫化铁树脂复合材料；其中，控制反应体系pH为4.0-5.0。该方法是通过将三价铁离子沉积在阳离子树脂中，然后添加到硫氢化物硫溶液中，用通过控制体系pH，能够使二硫化铁在树脂孔隙中限域生长。该制备方法快速简单，无需复杂的仪器设备，便于操作所制备的二硫化铁树脂复合材料理化性能稳定，有效提高了纳米二硫化铁的抗干扰能力，不易受环境扰动，对水中的重金属具有高吸附容量，且易于分离。另外，复合材料易于回收利用，经济性强。
3.本发明提供的一种二硫化铁树脂复合材料的制备方法，在合成二硫化铁的时候，合成反应中大量释放的H+被消耗掉，较高温度下易产生的H2S量也大大减少。本发明采用缓冲溶液可与Fe3+发生水解反应，控制Fe3+自由离子的浓度，进而控制FeS2成核和生长速率。
4.本发明提供的一种二硫化铁树脂复合材料在处理废水中重金属离子的应用，由于FeS2和Hg2+中之间强烈的路易斯软硬酸碱相互作用，并在复合树脂中得以保留，因此该树脂对Hg2+的选择性较强，在各种干扰离子的作用下仍然呈现较高的吸附能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例1提供的二硫化铁树脂复合材料FeS2-D001的XRD谱图；
图2是本发明实施例1提供的二硫化铁树脂复合材料FeS2-D001的透射电镜图；
图3是本发明实施例1提供的二硫化铁树脂复合材料FeS2-D001和微米二硫化铁在不同pH的铁溶解量；
图4是本发明实施例1提供的二硫化铁树脂复合材料FeS2-D001和微米二硫化铁的吸附动力学曲线；
图5是本发明实施例1提供的二硫化铁树脂复合材料FeS2-D001的循环利用图；
图6是本发明对比例1制备的树脂复合材料的XRD谱图；
图7是本发明对比例2提供的FeS-D001与实施例1提供的FeS2-D001在不同pH的汞吸附量。
具体实施方式
提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。
实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。
实施例1
本实施例提供了一种二硫化铁树脂复合材料的制备方法，包括以下步骤：
将10g商品阳离子交换树脂D001用100ml的0.1mol/L盐酸和500ml的去离子水分别漂洗，并用乙醇索氏提取以去除树脂孔道中的杂质；
将除杂后的树脂置于1L含0.5mol/LFeCl3的20％乙醇-水溶液中，室温搅拌24h，随后将树脂滤出在60℃下进行烘干12h；
将5g烘干后的铁饱和树脂转移到0.5L脱氧水配制的0.5mol/L NaHS溶液中，用0.2mol/L的醋酸钠-醋酸缓冲溶液调节溶液pH到4.5，密闭体系后置于水浴锅中60℃保温24h；
过滤后的二硫化铁树脂用去离子水反复漂洗，直至滤液电导率没有明显变化。然后将二硫化铁树脂在60℃下进行真空干燥24h，即可得到二硫化铁树脂复合材料FeS2-D001。
实施例2
本实施例提供了一种二硫化铁树脂复合材料的制备方法，包括以下步骤：
将10g商品阳离子交换树脂001×7用200ml的0.1mol/L盐酸和500ml的去离子水漂洗，并用乙醇索氏提取以去除树脂孔道中的杂质；
将除杂后的树脂置于0.5L含0.3mol/LFe2(SO4)3的50％乙醇-水溶液中，室温搅拌18h，随后将树脂滤出在70℃下进行烘干；
将5g烘干后的铁饱和树脂转移到0.5L脱氧水配制的0.3mol/L NH4HS溶液中，用0.1mol/L的磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲溶液调节溶液pH到4.5，密闭体系后置于水浴锅中70℃保温12h；
过滤后的二硫化铁树脂用去离子水反复漂洗，直至滤液电导率没有明显变化。然后将二硫化铁树脂在70℃进行真空干燥12h，即可得到二硫化铁树脂复合材料FeS2-001×7。
实施例3
本实施例提供了一种二硫化铁树脂复合材料的制备方法，包括以下步骤：
将10g商品阳离子交换树脂IR120用200ml的0.1mol/L盐酸和500ml的去离子水漂洗，并用乙醇索氏提取以去除树脂孔道中的杂质；
将除杂后的树脂置于0.1L含0.1mol/LFe(NO3)3的20％乙醇-水溶液中，室温搅拌24h，随后将树脂滤出在80℃下进行烘干；
将5g烘干后的铁饱和树脂转移到0.05L脱氧水配制的0.1mol/L NaHS溶液中，用0.1mol/L的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液调节溶液pH到4.0，密闭体系后置于水浴锅中70℃保温12h；
过滤后的二硫化铁树脂用去离子水反复漂洗，直至滤液电导率没有明显变化。然后将二硫化铁树脂在80℃进行真空干燥12h，即可得到二硫化铁树脂复合材料FeS2-IR120。
实施例4
本实施例提供了一种二硫化铁树脂复合材料的制备方法，包括以下步骤：
将15g商品阳离子交换树脂D001用200ml的0.1mol/L硫酸和500ml的去离子水漂洗，并用乙醇索氏提取以去除树脂孔道中的杂质；
将除杂后的树脂置于1L含0.1mol/LFeCl3的20％乙醇-水溶液中，室温搅拌12h，随后将树脂滤出在70℃下进行烘干24h；
将15g烘干后的铁饱和树脂转移到1L脱氧水配制的0.1mol/L NaHS溶液中，用0.2mol/L的醋酸钠-醋酸缓冲溶液调节溶液pH到4.3，密闭体系后置于水浴锅中40℃保温12h；
过滤后的二硫化铁树脂用去离子水反复漂洗，直至滤液电导率没有明显变化。然后将二硫化铁树脂用在40℃下进行真空干燥24h，即可得到二硫化铁树脂复合材料FeS2-D001。
实施例5
本实施例提供了一种二硫化铁树脂复合材料的制备方法，包括以下步骤：
将10g商品阳离子交换树脂D001用200ml的0.2mol/L硝酸和500ml的去离子水漂洗，并用乙醇索氏提取以去除树脂孔道中的杂质；
将除杂后的树脂置于0.1L含0.5mol/LFeCl3的20％乙醇-水溶液中，室温搅拌24h，随后将树脂滤出在80℃下进行烘干12h；
将10g烘干后的铁饱和树脂转移到0.11L脱氧水配制的0.5mol/L NaHS溶液中，用0.1mol/L的磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲溶液调节溶液pH到4.9，密闭体系后置于水浴锅中80℃保温24h；
过滤后的二硫化铁树脂用去离子水反复漂洗，直至滤液电导率没有明显变化。然后将二硫化铁树脂用在80℃下进行真空干燥24h，即可得到二硫化铁树脂复合材料FeS2-D001。
实施例6
本实施例提供了一种二硫化铁树脂复合材料的制备方法，包括以下步骤：
将10g商品阳离子交换树脂D001用200ml的0.05mol/L盐酸和500ml的去离子水漂洗，并用乙醇索氏提取以去除树脂孔道中的杂质；
将除杂后的树脂置于1L含0.5mol/L Fe2(SO4)3的20％乙醇-水溶液中，室温搅拌24h，随后将树脂滤出在50℃下进行烘干24h；
将5g烘干后的铁饱和树脂转移到0.5L脱氧水配制的0.5mol/L NH4HS溶液中，用0.1mol/L的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液调节溶液pH到4.5，密闭体系后置于水浴锅中60℃保温24h；
过滤后的二硫化铁树脂用去离子水反复漂洗，直至滤液电导率没有明显变化。然后将二硫化铁树脂用在60℃下进行真空干燥24h，即可得到二硫化铁树脂复合材料FeS2-D001。
对比例1
本对比例提供了一种树脂复合材料的制备方法，包括以下步骤：
将10g商品阳离子交换树脂D001用200ml的0.1mol/L盐酸和500ml的去离子水漂洗，并用乙醇索氏提取以去除树脂孔道中的杂质；
将除杂后的树脂置于1L含0.5mol/LFeCl3的20％乙醇-水溶液中，室温搅拌24h，随后将树脂滤出在60℃下进行烘干12h；
将5g烘干后的铁饱和树脂转移到0.5L脱氧水配制的0.5mol/L NaHS溶液中，密闭体系后置于水浴锅中60℃保温24h；
过滤后的树脂材料用去离子水反复漂洗，直至滤液电导率没有明显变化。然后将树脂材料在60℃下进行真空干燥24h，即可得到树脂复合材料。
对比例2
将10g商品阳离子交换树脂D001，按照1g/5ml的固液比例，投入到含有亚铁离子的水溶液中，分理出其中的树脂颗粒，投入到1mol/L的Na2S溶液中，搅拌浸泡10小时，分离收集树脂，水洗至中性后烘干，即得到硫化亚铁树脂复合材料。
测试例
测试例1-5是对实施例1制备出的二硫化铁树脂复合材料FeS2-D001进行性能测试。
由于其它实施例都是制备二硫化铁树脂复合材料的，附图具有相似性，因此其它实施例的附图不再提供。
测试例1：将二硫化铁树脂复合材料FeS2-D001与XRD谱图与标准卡片Pyrite(ICSD421340)进行匹配，匹配结果如图1所示，证明了树脂孔隙中原位生长了二硫化铁。
测试例2：将二硫化铁树脂复合材料FeS2-D001置于透射电镜下进行观察，二硫化铁树脂复合材料FeS2-D001的结果如图2所示，纳米二硫化铁为圆形颗粒分布在树脂中，平均粒径大约为30nm。
测试例3：测试二硫化铁树脂复合材料FeS2-D001的抗干扰性，测试方法如下：
1.分别称取10mg的微米级FeS2和二硫化铁树脂复合材料FeS2-D001至离心管中，分别加入50mL水溶液，分别调节pH为3-8，于25℃下恒温振荡24h。
2.在24h后取样，过0.22μm的滤膜后，采用邻菲啰啉比色法测定反应后溶液中的铁含量。
测试结果如附图3所示，相比于微米级FeS2，二硫化铁树脂复合材料FeS2-D001在酸性pH下的铁溶解量较少，表明其稳定性显著增强。
测试例4：测试二硫化铁树脂复合材料FeS2-D001应用于去除水中的Hg2+，具体方法如下：
1.配制浓度为10mg/L的Hg2+溶液。
2.分别称取10mg的微米级FeS2和二硫化铁树脂复合材料FeS2-D001至锥形瓶中，分别加入100mL上述Hg2+溶液，调节pH为7，于25℃下恒温振荡。
3.在0-48h内不同时间间隔定时取样，过0.22μm的滤膜后，采用AFS测定反应后溶液浓度。
测试结果如附图4所示，二硫化铁树脂复合材料FeS2-D001对水体中的Hg2+的吸附量随着时间的增加不断增加。在0-12h之间，吸附量快速增加，在12h之后逐渐达到饱和。其归一化铁含量后的吸附量超过微米级FeS2吸附量4倍以上，表明相比于微米级FeS2，二硫化铁树脂复合材料FeS2-D001具有更高的汞吸附能力。
测试例5：测试二硫化铁树脂复合材料FeS2-D001应用于循环利用去除水中的Hg2+，具体方法如下：
1.称取10mg二硫化铁树脂复合材料FeS2-D001至离心管中，加入50mL 10mg/L Hg2+溶液，调节pH为7，于25℃下恒温振荡24h。
2.在24h后取样，过0.22μm的滤膜后，采用AFS测定反应后溶液浓度。将吸附后材料用HCl处理后，取样过0.22μm的滤膜后，采用AFS测定样品浓度。循环测试了5次。
测试结果如图5所示，二硫化铁树脂复合材料FeS2-D001经过3次的吸附解吸后仍然能达到80％以上的吸附和回收率，经过5次的吸附解吸能达到50％的吸附和回收率，表明二硫化铁树脂复合材料FeS2-D001具有很好的循环利用能力。
测试例6：对对比例1制备出的树脂复合材料进行XRD谱图测试，测试结果如图6所示，XRD谱图显示没有明显的Pyrite特征峰，证明对比例1在不加入缓冲溶液的情况下，无法生成FeS2。
测试例7：测试实施例1跟对比例2制备出的FeS2-D001树脂复合材料和FeS-D001树脂复合材料对Hg2+的吸附能力。具体方法如下：
1.称取10mg FeS-D001树脂复合材料和FeS2-D001树脂复合材料至离心管中，加入50mL 10mg/L Hg2+溶液，调节pH为5、6、7，于25℃下恒温振荡24h。
2.在24h后取样，过0.22μm的滤膜后，采用AFS测定反应后溶液浓度。
测试结果如图7所示，pH为5、6、7条件下，FeS2-D001树脂复合材料的吸附量大于FeS-D001树脂复合材料，证明FeS2-D001树脂复合材料相比FeS-D001树脂复合材料对Hg2+吸附能力更强。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种二硫化铁树脂复合材料，其特征在于，包括树脂以及分布在树脂孔隙中的二硫化铁；
其中，二硫化铁与树脂的质量比为(0.1-0.2)：1，二硫化铁的粒径为5-50nm。
2.一种二硫化铁树脂复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
浸渍：将阳离子交换树脂置于三价铁源溶液中进行浸渍、分离、烘干，得到铁离子浸渍树脂；
反应：将所述铁离子浸渍树脂与硫氢化物溶液混合，在密闭环境下进行反应、分离、干燥，得到二硫化铁树脂复合材料；
其中，控制反应体系pH为4.0-5.0。
3.根据权利要求2所述的二硫化铁树脂复合材料的制备方法，其特征在于，所述反应步骤中反应温度为40-80℃，反应时间为12-24h。
4.根据权利要求2所述的二硫化铁树脂复合材料的制备方法，其特征在于，所述三价铁源为Fe2(SO4)3、Fe(NO3)3或FeCl3中的至少一种；
所述硫氢化物为NaHS、NH4HS中的一种。
5.根据权利要求4所述的二硫化铁树脂复合材料的制备方法，其特征在于，所述三价铁源溶液浓度为0.1-0.5mol/L；
可选的，所述三价铁源溶液中的溶剂为甲醇或乙醇水溶液；
进一步可选的，溶液中甲醇或乙醇的体积浓度为10-50％。
6.根据权利要求4所述的二硫化铁树脂复合材料的制备方法，其特征在于，所述硫氢化物溶液的浓度为0.1-0.5mol/L；
可选的，所述硫氢化物溶液中的溶剂为脱氧水。
7.根据权利要求2-6任一项所述的二硫化铁树脂复合材料的制备方法，其特征在于，所述浸渍步骤中，所述阳离子交换树脂与三价铁源溶液的固液比为10-100g/L；
所述反应步骤中，所述铁离子浸渍树脂与硫氢化物溶液的固液比为10-100g/L。
8.根据权利要求2-7任一项所述的二硫化铁树脂复合材料的制备方法，其特征在于，所述浸渍步骤在搅拌条件下进行，浸渍时间为12-24h；
所述浸渍步骤的烘干温度为10-80℃，烘干时间为12-24h；
所述反应步骤中采用缓冲溶液控制体系的pH；可选的，所述缓冲溶液为醋酸钠-醋酸缓冲溶液、磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲溶液、柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液中的至少一种；
所述反应步骤的干燥为真空干燥，干燥温度为40-80℃，干燥时间为12-24h。
9.根据权利要求8所述的二硫化铁树脂复合材料的制备方法，其特征在于，在所述浸渍步骤之前对所述阳离子交换树脂经过0.05-0.2mol/L的酸液和去离子水分别漂洗，除杂处理；
所述酸液为盐酸、硫酸和硝酸中的一种；
所述干燥步骤之前还包括去离子水漂洗的步骤。
10.一种权利要求1所述二硫化铁树脂复合材料或权利要求2-9任一项制备方法制备得到的二硫化铁树脂复合材料在处理废水中重金属离子的应用。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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