一种基于重金属污染废水修复的硫化纳米铁改性复合材料的制备方法及应用与流程

本发明涉及纳米新材料和水环境修复领域，具体涉及一种基于重金属污染废水修复的硫化纳米铁改性复合材料的制备方法及应用。

背景技术：

：联合国环境规划署提出的12种具有全球性意义的危险化学物质中，镉(cd)位于首位。水体中的cd来源于矿采、金属冶炼和电镀等行业，cd可通过食物链在生物体内富集，抑制某些植物生长，损害人体神经系统和消化系统，对人类健康安全造成严重威胁。因此，迫切寻求一种高效低能的方法修复水体cd污染。常用去除水体cd污染的方法有离子交换法、化学沉淀法、生物去除技术、膜分离和吸附法等。随着纳米技术的发展，纳米零价铁(nzvi)具粒径小、高反应活性和高比表面积优势，对多种污染物如重金属、有机物等具有较强的去除效果，在环境污染物处理体系中具有优异的应用前景。然而，细小尺寸的nzvi颗粒在水溶液中不稳定，易团聚、易钝化的特性限制了其在水污染修复中的实际应用。生物炭因制作简便、来源广泛、成本低廉，并具有较大比表面积、孔隙度和丰富的官能团，常被用于分散nzvi颗粒。国内外研究人员还用了其它方法改性nzvi，多用连二亚硫酸钠、羟甲基纤维素和黄原胶等减少nzvi钝化或增强稳定性。但这些改性方法稳定剂用量多、成本高昂，且难以同时提高nzvi的反应活性和保存持久性，不适合运用于实际工程生产中。技术实现要素：本发明的目的就在于针对现有重金属污染水体修复技术存在的问题，开发一种高效、经济的可用于去除水体cd污染的硫化纳米铁改性复合材料。本发明提出一种硫化纳米铁改性复合材料的制备方法，具体步骤如下：(1)将香蒲洗净烘干，打磨过筛，称取1-20g香蒲放在坩埚中，加入体积分数为20％-70％的h3po4溶液，搅拌均匀并静置12-32h，然后置于马弗炉中150-550℃无氧煅烧0.5-2h，再浸泡于体积分数为2％-20％的hcl溶液中15-45min，真空抽滤、烘干研磨过筛，得到生物炭；(2)将0.1-10g壳聚糖溶解于0.01-1m的hno3溶液中，取30-100ml壳聚糖溶液放入三口烧瓶，再加入0.1-10g生物炭和0.02-1m的feso4·7h2o溶液，搅拌3-10min使其混合均匀；(3)往步骤(2)中混合后的溶液中逐滴加入50-500ml含有0.5-1m的nabh4和适量的na2s(s/fe摩尔比为0.1-0.7)混合溶液，滴加完成后，再充分搅拌10-60min，此反应皆在充入氮气的条件下进行；(4)用磁铁收集得到的黑色颗粒，并用超纯水和无水乙醇多次洗涤，离心分离，真空干燥保存。本发明还提供一种上述的硫化纳米铁改性复合材料应用于去除废水中二价镉离子的方法，包括以下步骤：取一定量的含二价镉离子的废水，所述废水中二价镉离子浓度为10-400mg/l，调节溶液ph值为2-8，将硫化纳米铁改性复合材料以0.1-3g/l添加至废水溶液中，在恒温摇床中振荡反应1-150min，并设置反应温度为20-45℃，转速为100-200rpm，反应完成后将硫化纳米铁改性复合材料从混合溶液中分离出来，废液中二价镉离子含量采用原子吸收分光光度计法测定。本发明的有益效果：本发明较普通纳米铁材料修复水体cd污染，所制备的的硫化纳米铁改性复合材料提高了纳米铁的分散性、抗氧化性和稳定性，提高了纳米铁对cd的反应活性；本发明制备的硫化纳米铁改性复合材料对废水中二价镉离子的具有较大的去除量，适用于水体重金属污染修复领域。附图说明图1、图2、图3和图4分别为生物炭、硫化纳米铁、生物炭负载硫化纳米铁和硫化纳米铁改性复合材料的扫描电镜图；图5为硫化纳米铁、生物炭负载硫化纳米铁和硫化纳米铁改性复合材料的x射线衍射图谱，经改性后硫化纳米铁分散在生物炭上，并被壳聚糖覆盖。具体实施方式以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。实施例1生物炭(bc)的制备：将香蒲洗净烘干后，磨碎过筛，称取10g香蒲于坩埚中，加入体积分数为50％的h3po4溶液，搅拌均匀并静置24h，然后置于马弗炉中469.5℃无氧煅烧90min，再浸泡于体积分数为10％的hcl溶液中30min，真空抽滤、烘干研磨过筛，保存备用。本实施例1中bc的扫描电镜图如图1所示，表面粗糙不平。实施例2硫化纳米铁(s-nzvi)的制备：在通入氮气除氧后的三口烧瓶中加入0.075m的feso4溶液，再用蠕动泵逐滴加入200ml含有0.20m的nabh4和适量的na2s(s/fe摩尔比为0.56)混合溶液，滴加完成后，再充分搅拌30min，用磁铁收集得到的黑色颗粒，并用超纯水和无水乙醇多次洗涤，离心分离，真空干燥保存。本实施例2中s-nzvi的扫描电镜图如图2所示，s-nzvi颗粒呈球形聚集在一起。实施例3生物炭负载硫化纳米铁(s-nzvi/bc)的制备：在通入氮气除氧后的三口烧瓶中加入0.075m的feso4溶液和1g的bc，搅拌均匀后再用蠕动泵逐滴加入200ml含有0.20m的nabh4和适量的na2s(s/fe摩尔比为0.56)混合溶液，滴加完成后，再充分搅拌30min，用磁铁收集得到的黑色颗粒，并用超纯水和无水乙醇多次洗涤，离心分离，真空干燥保存。本实施例3中s-nzvi/bc的扫描电镜图如图3所示，s-nzvi颗粒呈小颗粒分散在bc表面，但分布不均匀。实施例4硫化纳米铁改性复合材料(ct-s-nzvi)的制备：将2g壳聚糖溶解于0.05m的hno3溶液中，取50ml壳聚糖溶液放入通氮气除氧后的三口烧瓶中，再加入1g的bc和0.075m的feso4·7h2o溶液，搅拌5min使其混合均匀；再用蠕动泵逐滴加入200ml含有0.20m的nabh4和适量的na2s(s/fe摩尔比为0.56)混合溶液，滴加完成后，再充分搅拌30min，用磁铁收集得到的黑色颗粒，并用超纯水和无水乙醇多次洗涤，离心分离，真空干燥保存。本实施例4中ct-s-nzvi的扫描电镜图如图4所示，s-nzvi颗粒均匀分布在bc上，表面光滑。由图5可见，经改性后s-nzvi内含有纳米零价铁，其表面被硫铁化合物覆盖；加入bc后，s-nzvi成功负载至bc上；壳聚糖参与了ct-s-nzvi的合成。实施例5将实施例4中制备的ct-s-nzvi颗粒用于废水中二价镉离子的去除，按以下步骤进行：在150ml锥形瓶中加入50mg/l的cd(no3)2·4h2o溶液，使用稀释的1mnaoh和hcl溶液调节反应体系初始ph值分别为2.99、4.08、5.01、6.00、7.00；然后以0.2g/l向锥形瓶中添加ct-s-nzvi，将这些锥形瓶置于恒温培养振荡器中，在25℃下以150rpm的速度振荡90min，过滤，溶液中剩余二价镉离子浓度通过火焰原子吸收光谱仪测定，具体结果如表1所示。表1：不同ph值下ct-s-nzvi对二价镉离子的去除量ph值2.994.085.016.007.00去除量(mg/g)186.82218.52228.18235.60244.15由表1可知，随着溶液初始ph值的增加，ct-s-nzvi对废水中二价镉离子的去除量也逐渐增大，在ph值为7时，二价镉离子的去除量达到最大值为244.15mg/g；考虑cd在溶液中的存在形式，在之后的实验中，选择ph值为5.01的条件继续进行实验。实施例6将实施例4中制备的ct-s-nzvi颗粒用于废水中二价镉离子的去除，按以下步骤进行：在150ml锥形瓶中加入30-300mg/l的cd(no3)2·4h2o溶液，使用稀释的1mnaoh和hcl溶液调节反应体系初始ph值为5.01，以0.2g/l向锥形瓶中添加ct-s-nzvi，将这些锥形瓶置于恒温培养振荡器中，在25℃下以150rpm的速度振荡90min，过滤，溶液中剩余二价镉离子浓度通过火焰原子吸收光谱仪测定，具体结果如表2所示。表2：不同cd(no3)2·4h2o浓度下ct-s-nzvi对二价镉离子的去除量初始浓度(mg/l)去除量(mg/l)30148.4350210.5880236.98100255.05120271.00150287.15200288.50300290.38由表2可知，反应90min后，在初始浓度为30mg/l的条件下，ct-s-nzvi对二价镉离子的去除量为148.43mg/g，并且随着初始浓度的增加，去除量也逐渐增大，当初始浓度为300mg/l时，初始浓度达到了290.38mg/g。以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均在本发明的保护范围之内。当前第1页12