CN109908868B - 一种铁基多孔吸附材料及其制备方法以及在废水处理中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铁基多孔吸附材料及其制备以及在废水处理中的应用，所述铁基多孔吸附材料主要由Fe₂O₃和碳黑为原料，其中单质铁的含量为50%‑70%，Fe²⁺与Fe³⁺的含量22‑49%，单质碳的含量为1‑8%；所述铁基多孔吸附材料采用粉末冶金法进行制备，制备时，先按照摩尔比称取Fe₂O₃与碳黑，再加入造孔剂CaCl₂，加至球磨罐中进行研磨；将研磨后的原料中加入无水乙醇，再倒入电动液压制样机中进行制样，在真空气氛炉内进行烧结即可；本发明使用方便，操作简单，进入水体后即可吸附水中的污染物，吸附完成后人工打捞即可，该方法处理废水操作方便，大大降低了劳动强度和处理回收成本，简单易行，可操作性强且适用范围广。

Description

一种铁基多孔吸附材料及其制备方法以及在废水处理中的 应用

技术领域

本发明涉及材料技术领域，具体是一种铁基多孔吸附材料及其制备方法以及在废水处理中的应用。

背景技术

多孔金属材料是20世纪80年代后期发展起来的一种具有优良物理特性和良好力学性能的新型工程材料，多孔金属材料具有密度小、刚度大、比表面积大、消音降噪效果好、电磁屏蔽性能高等优良的物理性能，被广泛应用于催化剂以及催化剂载体、高温液体过滤器、热交换器等功能材料方面，也可作为结构材料应用于航空、建筑等领域。

目前，废水主要是利用物理、化学或生物的方法进行处理，使废水净化，减少污染，以达到废水回收、复用，充分利用水资源的目的。吸附法处理废水是利用吸附剂的多孔性和高比表面积，对废水中的部分物质进行吸附，从而达到与水分离的目的。吸附法在废水处理领域得到了越来越广泛的研究。但常用的活性炭吸附法存在药剂费用高、再生困难等不足，因此，国内外对性能良好的廉价吸附材料的开发日益重视。要求此类吸附材料不仅需要具备廉价易得、具有优良的处理效能，而且操作简单，运行费用低。因此，研发一种铁基多孔吸附材料及其制备方法，并将该铁基多孔吸附材料应用于废水处理中是本发明研究的重要内容。

发明内容

本发明的目的就是提供一种铁基多孔吸附材料及其制备方法以及在废水处理中的应用。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

本发明的一种铁基多孔吸附材料，主要由Fe₂O₃和碳黑为原料，所述铁基多孔吸附材料中单质铁的含量为50%-70%，Fe²⁺与Fe³⁺的含量22-49%，单质碳的含量为1-8%。

优选地，本发明中所述铁基多孔吸附材料中单质铁的含量为62%，Fe²⁺与Fe³⁺的含量34%，单质碳的含量为4%。

本发明还提供了一种铁基多孔吸附材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）备料：将Fe₂O₃与碳黑按照摩尔比为1:0.225-0.325称取两种原料，向上述原料中加入造孔剂CaCl₂，所述造孔剂的质量为Fe₂O₃与碳黑总重量的1/30-1/20；再按照料球比为4-5:1将钢球加至球磨罐中，设置运行时间为4-5h，转速为400-500r/h，启动行星式球磨机进行研磨；

（2）制样：将研磨后的原料过80目筛，混合均匀后向上述粉末中加入粘合剂无水乙醇混合均匀，再倒入电动液压制样机的料槽中，将其压制成Φ20×20mm的试样，设置压力为80MPa；

（3）烧结：将压制后的试样放入真空气氛炉内，设置烧结工艺参数为：220℃保温30min，600℃保温30min，1200℃保温2h，开启循环水阀，启动真空泵抽真空，待炉温冷却至100℃以下时出炉即可。

本发明还提供了一种铁基多孔吸附材料在废水处理中的应用。

优选地，本发明中所述废水中含有酸根离子和碱性离子。

进一步地，本发明中所述酸根离子包括SO₄ ^2-、Cl^-中的一种或两种混合物，所述碱性离子包括OH^-。

优选地，本发明中所述铁基多孔吸附材料在处理废水中的酸根离子和碱性离子时，其投入量为废水总重量的1-58%。

本发明采用氯化钙作为造孔剂，在高温下会挥发有利于孔隙的形成，利用无水乙醇作为结合剂，能够将各原料组分有效的结合在一起使反应原料的接触面积更大。此外，还可以通过控制温度和烧成工艺来控制试样的还原程度和烧结形状。本发明制备的铁基多孔吸附材料能够吸附废水中的OH^-、SO₄ ^2-和Cl^-，其中对OH^-的吸附率为56-58%，对SO₄ ^2-的吸附率为60-65%，对Cl^—的吸附率为72-75%。

本发明的铁基多孔吸附材料的内部具有大量的孔隙，能够对废水中的酸根离子、碱性粒子产生吸附作用。吸附原理如下：本发明的铁基多孔吸附材料对废水中的OH^-、SO₄ ^2-和Cl^-既有物理吸附也有化学吸附。其中物理吸附占较大比重，物理吸附主要是利用铁基多孔吸附材料的多孔结构具备较高的吸附比表面积。在试样制备过程中，Fe₂O₃在高温条件下与炭黑反应生成的CO能够提高孔隙率，还原出来的铁单质之间也有孔隙。化学吸附是微孔结构表面的基团的选择性吸附，在酸性或碱性废水中铁基多孔吸附材料被还原出的铁单质与废水中的酸根离子或碱离子发生化学反应。由于Fe²⁺和Fe³⁺是很好的絮凝剂，特别是新生的具有更高的吸附-絮凝活性；同时，该吸附剂可以调节废水pH使铁离子变成氢氧化铁絮状沉淀，吸附废水中悬浮或胶体态的微小颗粒和有机高分子；去除废水中的部分COD，降低A/O系统污染物负荷，可减小稀释水添加比例；可生化显著提高，稳定提高A/O系统微生物降解效率；可以去除挥发酚类有毒物质，有效降低对A/O系统微生物的毒害作用。

本发明利用铁基多孔吸附材料来处理废水中的酸根离子或碱离子，具有低成本、可持续性以及易于操作等优点，由于铁基多孔吸附材料具有可塑形状，可制成可塑形状后放入笼型袋投入水中，使用方便，操作简单，进入水体后即可吸附水中的污染物，吸附完成后人工打捞即可，该方法处理废水操作方便，大大降低了劳动强度和处理回收成本，简单易行，可操作性强且适用范围广。

与现有技术相比，本发明具有以下几个优点：

1. 本发明的制备方法简单，通过机械球磨的方法，将Fe₂O₃和碳黑两种超细粉末材料复合，制备出铁基多孔吸附材料；

2. 本发明通过粉末冶金的方法还原氧化铁粉末使其充分发挥力学特性，碳黑充分发挥其化学性质和物理性质，通过控制配碳系数和烧结温度可以控制铁基多孔吸附材料的还原程度以及强度。

3. 本发明的铁基多孔吸附材料成本低廉，吸附性能好，使用方便，大大降低了劳动强度和处理回收成本，具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例1制备的铁基多孔吸附材料的SEM图（200倍）；

图2是本发明实施例1制备的铁基多孔吸附材料的SEM图（1000倍）。

具体实施方式

实施例1

本实施例的一种铁基多孔吸附材料，主要由Fe₂O₃和碳黑为原料制成，所述铁基多孔吸附材料中单质铁的含量为62%，Fe²⁺与Fe³⁺的含量34%，单质碳的含量为4%。

本实施例的一种铁基多孔吸附材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）备料：将Fe₂O₃与碳黑按照摩尔比为1:0.3称取两种原料，向上述原料中加入造孔剂CaCl₂，所述造孔剂的质量为Fe₂O₃与碳黑总重量的1/26；再按照料球比为5:1将钢球加至球磨罐中，设置运行时间为5h，转速为400r/h，启动行星式球磨机进行研磨；

（2）制样：将研磨后的原料过80目筛，混合均匀后向上述粉末中加入粘合剂无水乙醇混合均匀，再倒入电动液压制样机的料槽中，将其压制成Φ20×20mm的试样，设置压力为80MPa；

（3）烧结：将压制后的试样放入真空气氛炉内，设置烧结工艺参数为：220℃保温30min，600℃保温30min，1200℃保温2h，开启循环水阀，启动真空泵抽真空，待炉温冷却至100℃以下时出炉即可。

本实施例还提供了一种铁基多孔吸附材料在废水处理中的应用。

为验证本实施例制备的铁基多孔吸附材料对废水中的酸根离子和碱性离子的吸附作用，选用100mL废水，其中OH^-的浓度为5%，SO₄ ^2-的浓度为2%，Cl^-的浓度为2%，吸附时间为30min，水温为25℃，铁基多孔吸附材料的投入量为30g。在进行完一次吸附后洗干净吸附材料再进行下一次吸附试验，一共进行3次，试验结果见表1-3。

表1 铁基多孔吸附材料对OH^-吸附能力实验

表2 铁基多孔吸附材料对SO₄ ^2-吸附能力实验

表3 铁基多孔吸附材料对Cl^-吸附能力实验

从上表1-3实验结果可以看出，本实施例所制备的铁基多孔吸附材料在吸附时间为30min，水温为25℃，铁基多孔吸附材料的投入量为30g时，对OH^-的平均吸附率为57.3%，对SO₄ ^2-的平均吸附率为63.3%，对Cl^-的平均吸附率为73.5%。

由上表1-2中还可以发现，本实施例所制备的铁基多孔吸附材料二次吸附相较于一次吸附的吸附率更大。这是因为酸根离子或氢氧根离子在吸附过程中对材料的表面产生了腐蚀作用增大了吸附的比表面积，同时在这个过程中吸附材料内部的一些杂质被溶解，对孔结构通道起到了疏通作用，增加了吸附点位从而提高了吸附量。

实施例2

本实施例的一种铁基多孔吸附材料，主要由Fe₂O₃和碳黑为原料制成，所述铁基多孔吸附材料中单质铁的含量为51%，Fe²⁺与Fe³⁺的含量48%，单质碳的含量为1%。

本实施例的一种铁基多孔吸附材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）备料：将Fe₂O₃与碳黑按照摩尔比为1:0.225称取两种原料，向上述原料中加入造孔剂CaCl₂，所述造孔剂的质量为Fe₂O₃与碳黑总重量的1/30；再按照料球比为4:1将钢球加至球磨罐中，设置运行时间为4h，转速为500r/h，启动行星式球磨机进行研磨；

（2）制样：将研磨后的原料过80目筛，混合均匀后向上述粉末中加入粘合剂无水乙醇混合均匀，再倒入电动液压制样机的料槽中，将其压制成Φ20×20mm的试样，设置压力为80MPa；

（3）烧结：将压制后的试样放入真空气氛炉内，设置烧结工艺参数为：220℃保温30min，600℃保温30min，1200℃保温2h，开启循环水阀，启动真空泵抽真空，待炉温冷却至100℃以下时出炉即可。

本实施例所制备的铁基多孔吸附材料在废水处理中的应用，所述废水中含有酸根离子和碱性离子，所述酸根离子包括SO₄ ^2-、Cl^-中的一种或两种混合物，所述碱性离子包括OH^-。本实施例的铁基多孔吸附材料在处理废水中的酸根离子和碱性离子时，可以根据废水中的离子浓度选择投入量，投入量一般为废水总重量的1-58%。使用时，可将铁基多孔吸附材料制成可塑形状后放入笼型袋投入水中，使用方便，操作简单，进入水体后即可吸附水中的污染物，吸附完成后人工打捞即可，该方法处理废水操作方便，大大降低了劳动强度和处理回收成本，简单易行，可操作性强且适用范围广。

实施例3

本实施例的一种铁基多孔吸附材料，主要由Fe₂O₃和碳黑为原料制成，所述铁基多孔吸附材料中单质铁的含量为68%，Fe²⁺与Fe³⁺的含量25%，单质碳的含量为7%。

本实施例的一种铁基多孔吸附材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）备料：将Fe₂O₃与碳黑按照摩尔比为1: 0.325称取两种原料，向上述原料中加入造孔剂CaCl₂，所述造孔剂的质量为Fe₂O₃与碳黑总重量的1/20；再按照料球比为4:1将钢球加至球磨罐中，设置运行时间为5h，转速为500r/h，启动行星式球磨机进行研磨；

（2）制样：将研磨后的原料过80目筛，混合均匀后向上述粉末中加入粘合剂无水乙醇混合均匀，再倒入电动液压制样机的料槽中，将其压制成Φ20×20mm的试样，设置压力为80MPa；

（3）烧结：将压制后的试样放入真空气氛炉内，设置烧结工艺参数为：220℃保温30min，600℃保温30min，1200℃保温2h，开启循环水阀，启动真空泵抽真空，待炉温冷却至100℃以下时出炉即可。

本实施例所制备的铁基多孔吸附材料可以用于废水处理中，使用方法同上述例1和例2。

Claims (6)

1.一种铁基多孔吸附材料，主要由Fe₂O₃和碳黑为原料，其特征在于：所述铁基多孔吸附材料中单质铁的含量为50%-70%，Fe²⁺与Fe³⁺的含量22-49%，单质碳的含量为1-8%；制备时，包括以下步骤：

（1）备料：将Fe₂O₃与碳黑按照摩尔比为1:0.225-0.325称取两种原料，向上述原料中加入造孔剂CaCl₂，所述造孔剂的质量为Fe₂O₃与碳黑总重量的1/30-1/20；再按照料球比为4-5:1将钢球加至球磨罐中，设置运行时间为4-5h，转速为400-500r/h，启动行星式球磨机进行研磨；

（2）制样：将研磨后的原料过80目筛，混合均匀后向上述粉末中加入粘合剂无水乙醇混合均匀，再倒入电动液压制样机的料槽中，将其压制成Φ20×20mm的试样，设置压力为80MPa；

（3）烧结：将压制后的试样放入真空气氛炉内，设置烧结工艺参数为：220℃保温30min，600℃保温30min，1200℃保温2h，开启循环水阀，启动真空泵抽真空，待炉温冷却至100℃以下时出炉即得。

2.根据权利要求1所述的一种铁基多孔吸附材料，其特征在于：所述铁基多孔吸附材料中单质铁的含量为62%，Fe²⁺与Fe³⁺的含量34%，单质碳的含量为4%。

3.如权利要求1或2所述的一种铁基多孔吸附材料在废水处理中的应用。

4.根据权利要求3所述的一种铁基多孔吸附材料在废水处理中的应用，其特征在于：所述废水中含有酸根离子和碱性离子。

5.根据权利要求4所述的一种铁基多孔吸附材料在废水处理中的应用，其特征在于：所述酸根离子包括SO₄ ^2-、Cl^-中的一种或两种混合物，所述碱性离子包括OH^-。

6.根据权利要求4所述的一种铁基多孔吸附材料在废水处理中的应用，其特征在于：所述铁基多孔吸附材料的投入量为废水总重量的1-58%。

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