CN114177909A - 一种镁-椰壳碳-四氧化三铁复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种镁‑椰壳碳‑四氧化三铁复合材料，包括椰壳碳以及负载于所述椰壳碳表面的四氧化三铁颗粒，所述椰壳碳与一镁颗粒紧密结合。在通氧条件下，该材料在反应120min后过氧化氢浓度可达60‑120mg/L，并可实现106CFU/mL大肠杆菌的去除。

Description

一种镁-椰壳碳-四氧化三铁复合材料及其制备方法
技术领域
本专利涉及一种养殖废水处理技术领域，具体涉及一种镁-椰壳碳-四氧化三铁复合材料的制备方法。
背景技术
随着城市化进程的持续发展及可支配收入的不断提高，我国人民对肉、蛋、奶等动物源食物的需求量日益增大，畜禽养殖规模快速增长。据统计，2019年我国仅生猪出栏量达5.4亿头。畜禽养殖过程中会产生大量废水，其已成为继工业废水和生活污水后的第三大水污染源，严重制约了畜禽养殖业的发展。畜禽养殖废水具有氨氮、总磷含量高，难处理的特点。与此同时，磷资源对农业发展至关重要，有研究表明其将在2051年被消耗殆尽，在废水处理过程中回收磷酸盐对于缓解磷资源危机具有重要意义。此外，为了防疫和促进动物生长，畜禽养殖过程中广泛使用四环素等抗生素，畜禽养殖废水中含有大量的抗生素抗性菌及其他病原微生物。对其的不当排放不但会造成水体富营养化，还存在生物风险。特别是在传染性疾病如近期的新型冠状病毒肺炎疫情爆发期，含有病原微生物的***物排放将进一步加剧污染水源、传播疾病的风险。
在以过氧化氢和铁离子组成的芬顿体系中，铁离子可催化裂解过氧化氢产生羟基自由基(·OH，氧化电位～2.8V)等活性氧簇(ROS)，具有极高氧化电位的活性氧簇可无选择地降解污染物和灭活微生物。然而，芬顿过程需要消耗大量过氧化氢，而过氧化氢因其强氧化性难以运输和保存，开发可自产过氧化氢的新体系是实现养殖废水持续处理的有效途径。
目前，过氧化氢的原位生成主要通过溶解氧的二电子还原过程，当采用电解池装置产过氧化氢时，其产量与电极材料和电流密度直接相关，电极的成本与使用寿命限制其广泛应用，同时还需要大量的能量输入。也有一些研究者将碳纳米管与活泼金属混合，碳纳米管高昂的价格一级其环境毒性不支持其应用。
发明内容
为了解决上述问题，本发明本发明的首要目的是提供一种可自产过氧化氢并实现养殖废水持续、有效处理的新型复合材：料镁-椰壳碳-四氧化三铁。在通氧条件下，该材料在反应120min后过氧化氢浓度可达60-120mg/L，并可实现106CFU/mL大肠杆菌的去除。
本发明的技术方案如下：
一种镁-椰壳碳-四氧化三铁复合材料，包括椰壳碳以及负载于所述椰壳碳表面的四氧化三铁颗粒，所述椰壳碳与一镁颗粒紧密结合。
本发明还包括一种镁-椰壳碳-四氧化三铁复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将椰壳碳浸入碱性溶液中，超声至椰壳碳完全分散；
(2)将硫酸亚铁与硫代硫酸钠超声溶解，并将(1)加入其中，搅拌均匀得到混合物；
(3)将(2)中的混合物置于反应釜内衬中，进行水热反应，抽滤、干燥后得到椰壳碳-四氧化三铁复合材料；
(4)将得到的椰壳碳-四氧化三铁复合材料与镁粉按进行球末混合，随后加入粘合剂再次进行球磨混合，取出混合物即为镁-椰壳碳-四氧化三铁复合材料。
进一步的，所述的步骤(1)中的碱性溶液为质量分数为2％-6％的氢氧化钠溶解。
进一步的，所述的步骤(2)中硫酸亚铁与硫代硫酸钠质量比为1.12:1。
进一步的，所述步骤(3)的具体步骤为：步骤(2)中超声得到的混合液转移至反应釜内衬中，并将反应釜转移至烘箱中，烘箱温度设置为140℃，进行水热反应12h。
进一步的，所述步骤(4)中的具体步骤为：将镁粉与椰壳碳-四氧化三铁粉末加入球磨罐中，另取氧化锆珠加入球磨罐，按150rpm的转速球磨30min，随后取粘合剂加入球磨罐，继续进行球磨30min，待其冷却至室温，得到的粉末即为镁-椰壳碳-四氧化三铁复合材料。在镁参与的全过程中用氩气进行保护，避免镁在空气中氧化。
进一步的，所述步骤(4)的粘合剂为分子量为4000的聚乙二醇。
进一步的，所述步骤(4)中椰壳碳-四氧化三铁复合材料与镁粉的质量比为1:1-6:1。
本发明具有如下有益效果:
1，过氧化氢具有强氧化性，可以无选择性的降解污染物，但由于其在运输和储存过程中存在风险限制其应用，开发原位合成过氧化氢的技术尤为重要。经检测本发明材料可以原位有效生成较高浓度的过氧化氢，且符合现代经济循环和环保理念。
2，本发明材料具有工艺简单、成本低廉、催化效率高、降解彻底、无二次污染物、节能环保，可用于多种污染物的去除，本发明方法应用前景广阔。
3，本发明除原位合成过氧化氢外，四氧化三铁可催化过氧化氢生成具有更高氧化还原电位的羟基自由基，可用于难降解污染物的处理，使本方法应用前景更广。
附图说明
图1为实施例1制备镁-椰壳碳-四氧化三铁复合材料SEM图；
图2为实施例1-3中负载不同量四氧化三铁的产过氧化氢性能图；
图3为实施例1-3中负载不同量四氧化三铁的消毒性能图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段，所用原料均为市售商品。但不用来限制本发明的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段，所用原料均为市售商品。
实施例1：
称取0.8g氢氧化钠，溶解于20mL超纯水中，加入2g椰壳碳，超声20min使椰壳碳分散其中，标记为A；另取2.78g七水合硫酸亚铁、2.48g五水合硫代硫酸钠加入30mL超纯水，超声20min充分溶解，标记为B，将A、B液混合超声30min，转移至水热反应釜内衬中，在140℃下进行水热反应12h，取出样品进行过滤、干燥得到椰壳碳-四氧化三铁复合材料。称取2g镁粉、1g椰壳碳-四氧化三铁粉末进行球磨30min，然后加入0.6g聚乙二醇继续球磨30min，即得到复合材料镁-椰壳碳-四氧化三铁。
实施例2：
称取0.4g氢氧化钠，溶解于20mL超纯水中，加入2g椰壳碳，超声20min使椰壳碳分散其中，标记为A；另取1.39g七水合硫酸亚铁、1.24g五水合硫代硫酸钠加入30mL超纯水，超声20min充分溶解，标记为B，将A、B液混合超声30min，转移至水热反应釜内衬中，在140℃下进行水热反应12h，取出样品进行过滤、干燥得到椰壳碳-四氧化三铁复合材料。称取2.4g镁粉、0.6g椰壳碳-四氧化三铁粉末进行球磨30min，然后加入0.6g聚乙二醇继续球磨30min，即得到复合材料镁-椰壳碳-四氧化三铁。
实施例3：
称取0.2g氢氧化钠，溶解于20mL超纯水中，加入2g椰壳碳，超声20min使椰壳碳分散其中，标记为A；另取0.927g七水合硫酸亚铁、0.827g五水合硫代硫酸钠加入30mL超纯水，超声20min充分溶解，标记为B，将A、B液混合超声30min，转移至水热反应釜内衬中，在140℃下进行水热反应12h，取出样品进行过滤、干燥得到椰壳碳-四氧化三铁复合材料。称取2.571g镁粉、0.429g椰壳碳-四氧化三铁粉末进行球磨30min，然后加入0.6g聚乙二醇继续球磨30min，即得到复合材料镁-椰壳碳-四氧化三铁。
图1实施例1制备镁-椰壳碳-四氧化三铁复合材料SEM图，表明了镁、椰壳碳及四氧化三铁三种材料的紧密结合
图2实施例1-3中负载不同量四氧化三铁的产过氧化氢性能，表明了镁-椰壳碳-四氧化三铁复合材料具备良好的产过氧化氢性能。
图3实施例1-3中负载不同量四氧化三铁的消毒性能，表明了镁-椰壳碳-四氧化三铁复合材料具有较好的消毒效果。
镁与椰壳碳在水溶液中容易形成原电池，镁作为阳极被腐蚀，溶解氧在椰壳碳表面的电子通过二电子途径被还原过氧化氢，负载于椰壳碳表面的四氧化三铁催化过氧化氢生成羟基自由基，超氧阴离子等活性氧簇，有效降解养殖废水中的有机物等污染物质。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种镁-椰壳碳-四氧化三铁复合材料，其特征在于：包括椰壳碳以及负载于所述椰壳碳表面的四氧化三铁颗粒，所述椰壳碳与一镁颗粒紧密结合。
2.一种镁-椰壳碳-四氧化三铁复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将椰壳碳浸入碱性溶液中，超声至椰壳碳完全分散；
(2)将硫酸亚铁与硫代硫酸钠超声溶解，并将(1)加入其中，搅拌均匀得到混合物；
(3)将(2)中的混合物置于反应釜内衬中，进行水热反应，抽滤、干燥后得到椰壳碳-四氧化三铁复合材料；
(4)将得到的椰壳碳-四氧化三铁复合材料与镁粉按进行球末混合，随后加入粘合剂再次进行球磨混合，取出混合物即为镁-椰壳碳-四氧化三铁复合材料。
3.根据权利要求2所述一种镁-椰壳碳-四氧化三铁复合材料的制备方法，其特征在于：所述的步骤(1)中的碱性溶液为质量分数为2％-6％的氢氧化钠溶解。
4.根据权利要求2所述一种镁-椰壳碳-四氧化三铁复合材料的制备方法，其特征在于：所述的步骤(2)中硫酸亚铁与硫代硫酸钠质量比为1.12:1。
5.根据权利要求2所述一种镁-椰壳碳-四氧化三铁复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)的具体步骤为：步骤(2)中超声得到的混合液转移至反应釜内衬中，并将反应釜转移至烘箱中，烘箱温度设置为140℃，进行水热反应12h。
6.根据权利要求2所述一种镁-椰壳碳-四氧化三铁复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中的具体步骤为：将镁粉与椰壳碳-四氧化三铁粉末加入球磨罐中，另取氧化锆珠加入球磨罐，按150rpm的转速球磨30min，随后取粘合剂加入球磨罐，继续进行球磨30min，待其冷却至室温，得到的粉末即为镁-椰壳碳-四氧化三铁复合材料。在镁参与的全过程中用氩气进行保护，避免镁在空气中氧化。
7.根据权利要求6所述一种镁-椰壳碳-四氧化三铁复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)的粘合剂为分子量为4000的聚乙二醇。
8.根据权利要求6所述一种镁-椰壳碳-四氧化三铁复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中椰壳碳-四氧化三铁复合材料与镁粉的质量比为1:1-6:1。
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