一种负载纳米铁膨胀石墨复合材料的制备方法及其应用
【技术领域】
[0001] 本发明涉及负载纳米铁膨胀石墨复合材料的制备及其应用领域，特别涉及用于去 除水体中重金属离子的负载纳米铁膨胀石墨复合材料的制备方法。
【背景技术】
[0002] 重金属污染是指重金属及其化合物在环境中含量超标造成的污染，重金属能通过 各种途径进入环境，污染范围广，并且在环境中易积累，危害大，治理困难，其中Cr 6+、Cd2+和 Pb2+的污染尤为突出，因此，这几类重金属污染亟待治理。目前常用的重金属处理方法众多， 如氧化还原法、离子交换法、膜分离法、生物法以及化学沉淀法等，但往往不能兼顾处理成 本与效果。因此，找到一种高效、迅速并且成本低廉的修复技术来处理水体中重金属污染成 为我国所面临的严峻问题之一。
[0003] 膨胀石墨作为一种廉价、疏松多孔的材料，对环境污染物具有良好的吸附效果；纳 米铁得益于自身具有很大的比表面积与高反应活性，可用于多种污染还原处理。但膨胀石 墨属于物理吸附，吸附状态不稳定，破碎后，污染物易游离，脱附现象明显。而纳米铁粒径过 小、受到相互之间磁力影响显著，极易团聚，并且单纯零价纳米铁易被氧化，影响去除效果。
[0004] 本发明负载纳米铁膨胀石墨复合材料是以膨胀石墨为载体，将零价纳米铁负载在 其上的复合材料；由于膨胀石墨载体本身良好的吸附性能及零价纳米铁较强的还原性能， 两者产生协同作用，提高了对重金属的去除效率。本发明既改善了膨胀石墨单独存在时物 理吸附易脱附的问题，同时也改善了单纯零价纳米铁的易氧化性能，扩大了它在环境方面 的应用范围。
【发明内容】
[0005] 本发明旨在提供一种用于去除水体中重金属的负载纳米铁膨胀石墨复合材料及 其制备方法，以解决现有技术存在的不足。
[0006] 所述负载纳米铁膨胀石墨复合材料的制备方法包括以下步骤：
[0007] a、取一定量20~60目天然鳞片石墨经氧化、插层后制得可膨胀石墨，在25~ 45°C下，将可膨胀石墨浸渍在0. 2~2. Omol/L的FeCl3溶液中12~20h ;过滤得到负载Fe 3+ 的可膨胀石墨，在50~60°C下烘干6h待用。
[0008] b、将上述干燥后负载Fe3+的可膨胀石墨高温膨胀得到膨胀倍率为310~350mL/g 的负载Fe3+的膨胀石墨。
[0009] c、将上述负载Fe3+的膨胀石墨在25~45°C下二次浸渍在0. 2~2. Omol/L的FeCl 3 溶液当中12~20h，过滤得到二次负载Fe3+的膨胀石墨。
[0010] d、配置硼氢化钾水溶液，使其浓度为0· 1~3. Omol/L。
[0011] e、将上述二次负载Fe3+的膨胀石墨加入到硼氢化钾水溶液中，在25~40°C下搅 拌反应20~40min后过滤、洗涤得到低膨胀倍率的负载纳米铁膨胀石墨复合材料。
[0012] f、将上述低膨胀倍率的负载纳米铁膨胀石墨复合材料经过无氧二次膨胀，得到成 品的负载纳米铁膨胀石墨复合材料。
[0013] 本发明取得的技术进步是：
[0014] 1、本发明的制备过程中经过了二次浸渍与无氧二次膨胀，最大限度的增加了零价 纳米铁的负载量与复合材料的孔隙度，使材料具有更强的吸附性能，对重金属离子具有更 高的去除率。
[0015] 2、本发明负载纳米铁膨胀石墨复合材料既改善了膨胀石墨单独存在时物理吸附 易脱附的问题，同时也改善了单纯零价纳米铁的易氧化性能，扩大了它在环境方面的应用 范围。
[0016] 3、本发明负载纳米铁膨胀石墨复合材料能去除水体中多种重金属，如Cr6+、Cd 2+、 Pb2+等，并且反应速度快，去除效率能够达到99%以上。
[0017] 4、本发明负载纳米铁膨胀石墨复合材料的合成方法的工艺过程简单可靠，容易控 制；并且成本低廉，适合规模化生产。
【附图说明】
[0018] 图1为用本发明所述制备方法制备的负载纳米铁膨胀石墨复合材料图。
[0019] 图2为负载纳米铁膨胀石墨复合材料的TEM图。
[0020] 图3为负载纳米铁膨胀石墨复合材料的SEM图。
[0021] 图4为负载纳米铁膨胀石墨复合材料与膨胀石墨对Pb2+的去除曲线图。
[0022] 图5为负载纳米铁膨胀石墨复合材料与膨胀石墨对Cr6+的去除曲线图。
[0023] 图6为负载纳米铁膨胀石墨复合材料与膨胀石墨对Cd2+的去除曲线图。
【具体实施方式】
[0024] 实施例1 :
[0025] a、取一定量30目天然鳞片石墨经氧化、插层后制得可膨胀石墨，在35°C下，将可 膨胀石墨浸渍在I. 5mol/L的FeCl3溶液中18h ;过滤得到负载Fe 3+的可膨胀石墨，在60°C 下烘干6h待用。
[0026] b、将上述干燥后负载Fe3+的可膨胀石墨高温膨胀得到膨胀倍率为310~350mL/g 的负载Fe3+的膨胀石墨。
[0027] c、将上述负载Fe3+的膨胀石墨在35°C下二次浸渍在I. 5mol/L的FeCl 3溶液当中 18h，过滤得到二次负载Fe3+的膨胀石墨。
[0028] d、配置硼氢化钾水溶液，使其浓度为2. Omol/L。
[0029] e、将上述二次负载Fe3+的膨胀石墨加入到硼氢化钾水溶液中，在35°C下搅拌反应 30min后过滤、洗涤得到低膨胀倍率的负载纳米铁膨胀石墨复合材料。
[0030] f、将上述低膨胀倍率的负载纳米铁膨胀石墨复合材料经过无氧二次膨胀，得到成 品的负载纳米铁膨胀石墨复合材料。
[0031] 本发明负载纳米铁膨胀石墨复合材料与膨胀石墨的比较：
[0032] 将已经制备好的负载纳米铁膨胀石墨复合材料进行透射电镜（TEM)、扫描电镜 (SEM)与X射线荧光光谱（XRF)分析，以观察零价纳米铁粒子在膨胀石墨上的形貌、分散情 况，粒径及元素组成等。通过X射线荧光光谱分析得到本发明制备的所述材料与膨胀石墨 所含元素种类及含量的对比（如表1)，结果表明：Fe的含量由0.0 O增长到2. 12%，膨胀石 墨成功实现了对Fe的负载。通过透射电镜显示粒子呈不规则的颗粒状，粒径在100~200nm 之间，为纳米级（如图2)。因此，零价纳米铁成功负载到膨胀石墨表面。通过扫描电镜观察 表明：负载零价纳米铁的膨胀石墨表面依旧保持为蠕虫状，多孔，且孔隙发达（如图3)。
[0033] 表1负载纳米铁膨胀石墨复合材料与膨胀石墨元素含量表
[0035] 实施例2 :
[0036] 将本发明制备的负载纳米铁膨胀石墨复合材料进行Pb2+的去除率测验。取0. 3g 所述材料加入到150ml模拟Pb2+浓度为100mg/L的重金属污染废水中，分三组平行试验，将 其放入30°C的恒温振荡箱中进行反应，每隔一段时间取样测量水体中Pb 2+浓度，得到所述 材料的Pb2+去除曲线。将负载纳米铁膨胀石墨复合材料换成纯膨胀石墨按照上述步骤进行 实验，得到膨胀石墨的Pb 2+去除曲线，两者进行对比，结果如图4所示。从图4中可以看出： 本发明制备的所述材料比单纯膨胀石墨拥有更高的去除率，并且反应迅速，IOOmin后即可 实现99%以上的去除率。
[0037] 实施例3 :
[0038] 将本发明制备的负载纳米铁膨胀石墨复合材料进行Cr6+的去除率测验。取0. 2g 所述材料加入到100mL模拟Cr6+浓度为50mg/L的重金属污染废水中，分三组平行试验，将 其放入35°C的恒温振荡箱中进行反应，每隔一段时间取样测量水体中Cr 6+浓度，得到所述 材料的Cr6+去除曲线。将负载纳米铁膨胀石墨复合材料换成纯膨胀石墨按照上述步骤进 行实验，得到膨胀石墨的Cr 6+去除曲线，两者进行对比，结果如图5所示。从图5中可以看 出：本发明制备的所述材料比单纯膨胀石墨在更短的时间内拥有更高的去除率，并且反应 迅速，40min后即可实现99%以上的去除率。
[0039] 实施例4 :
[0040] 将本发明制备的负载纳米铁膨胀石墨复合材料进行Cd2+的去除率测验。取0. 6g 所述材料加入到100mL模拟Cd2+浓度为150mg/L的重金属污染废水中，分三组平行试验，将 其放入35°C的恒温振荡箱中进行反应，每隔一段时间取样测量水体中Cd 2+浓度，得到所述 材料的Cd2+去除曲线。将负载纳米铁膨胀石墨复合材料换成纯膨胀石墨按照上述步骤进行 实验，得到膨胀石墨的Cd 2+去除曲线，两者进行对比，结果如图6所示。从图6中可以看出： 本发明制备的所述材料比单纯膨胀石墨拥有更高的去除率，并且反应迅速，70min后即可实 现99%以上的去除率。
【主权项】
1. 一种用于去除水体中重金属的负载纳米铁膨胀石墨复合材料的制备方法，特征在 于所述制备方法经过了二次浸渍与无氧二次膨胀过程，通过浸渍还原法将零价纳米铁负载 在膨胀石墨的表面上，形成负载纳米铁膨胀石墨。其中，浸渍过程？冗1 3溶液的浓度范围 是0. 2~2. Omol/L，浸渍时间为12~20h ;还原过程硼氢化钾溶液的浓度范围为0. 1~ 3. Omol/L，反应时间为20~40min。2. 根据权利要求1所述的制备方法得到的负载纳米铁膨胀石墨复合材料在水体中重 金属去除方面的用途，其特征在于能结合膨胀石墨与零价纳米铁的优点，产生协同作用，提 高本发明所述材料的重金属去除率。
【专利摘要】本发明涉及负载纳米铁膨胀石墨复合材料的制备及其应用领域，特别涉及用于去除水体中重金属离子的负载纳米铁膨胀石墨复合材料的制备方法。其特征在于本发明负载纳米铁膨胀石墨的制备过程中经过了二次浸渍与无氧二次膨胀，通过浸渍还原法将零价纳米铁负载在膨胀石墨表面，形成负载纳米铁膨胀石墨。经过二次浸渍与无氧二次膨胀，最大限度的增加了零价纳米铁的负载量与复合材料的孔隙度，使材料具有更强的还原和吸附性能；经测验表明本发明负载纳米铁膨胀石墨可实现水体中多种重金属离子的去除，去除率均可达99％。本发明工艺过程简单可靠，容易控制，成本低廉，为修复重金属污染提供了应用前景更为广阔的方法途径。
【IPC分类】C02F101/20, C02F1/28, C02F1/70, B01J20/30, C02F101/22, B01J20/20
【公开号】CN104971696
【申请号】CN201510370096
【发明人】林爱军, 徐从斌, 赵越, 王会丽, 焦春磊
【申请人】北京化工大学
【公开日】2015年10月14日
【申请日】2015年6月29日