[发明专利]一种炭硫掺杂零价铁复合材料的制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种炭硫掺杂零价铁复合材料的制备方法，该方法包括：将硫试剂、铁粉和炭粉按一定比例混合球磨后，得到炭硫掺杂零价铁复合材料；所述硫试剂为单质硫粉、硫化铁粉或硫铁矿粉；所述硫试剂、铁粉和炭粉的质量百分数比为0.5～20:70～99:0.5～10。本发明通过硫试剂、铁粉和炭粉混合后球磨，得到炭硫掺杂零价铁复合材料，该材料可用于原位去除和降解地下水以及土壤中的重金属类、农药类、偶氮染料类、卤代有机物类和/或硝基代有机物类污染物且具有较高的去除和降解效率。

技术领域

本发明涉及环境修复技术领域，尤其涉及一种炭硫掺杂零价铁复合材料的制备方法及其应用。

背景技术

二十多年来，以零价铁为基础的地下水原位修复技术，得到了国内外的广泛关注和深入研究。由于其具有较强的还原性(Fe²⁺+2e^-→Fe(s)，E⁰＝-0.44V)，且来源丰富，价格低廉，从而被广泛应用于环境修复领域去除和降解有机或无机污染物。进入本世纪以来，纳米零价铁的发现以及其应用于环境领域，使此项技术进入了新阶段。

然而，纳米零价铁在大规模生产和实际工程应用过程中还存在诸多技术缺陷，如生产成本高昂，且具有强磁性和高比表面积的特性使其容易团聚形成较大颗粒，以致其活性位点不能全部有效释放，活性成分的利用率大大降低，进而丧失纳米零价铁的高活性的特点；更重要的是，一般情况下，零价铁表面不可避免的会伴有一层致密氧化层，这不仅严重抑制其内部电子的传递而且很大程度上会阻碍目标污染物与其活性位点的接触，从而降低零价铁的活性；此外，零价铁表面的亲水性也会抑制其与油性有机污染物接触，从而降低其活性。

上述缺陷问题严重制约了零价铁技术的应用和推广，因此近些年来国内外学者不断探索对零价铁表面进行修饰或者以其为基础合成复合型材料，试图解决其技术缺陷问题。如Zhang等将贵金属(铂、钯、银等)负载到零价铁上，形成双金属材料[Treatment ofchlorinated organic contaminants with nanoscale bimetallicparticles.Catal.Today.1998,40(4),387-395.]，虽然大大提升了零价铁降解有机污染物的速率。但铂、钯、银成本高昂，且一旦流失到环境介质中极易引起二次污染。Zhan等人通过气凝胶法合成炭负载纳米零价铁材料[Multifunctional iron-carbon nanocompositesthrough an aerosol-based process for the in situ remediation of chlorinatedhydrocarbons.Environ SciTechnol 2011,45,(5),1949-54.]，虽然可以大幅度提高纳米零价降解有机污染物的速率，但是其制备方法苛刻，难以规模化生产以满足环境修复的需要。而He等人利用球磨法制备铁-炭复合材料[Degradation of Trichloroethene with aNovel Ball Milled Fe-C Nanocomposite.J Hazard Mater 2015,300,443-50.]，虽然可以规模化生产，但是却抑制了零价铁降解有机污染物的活性。

近年来，硫掺杂已逐渐成为新型的零价铁改性方式，研究表明，硫掺杂后形成的铁硫化物可大幅度促进零价铁对污染物的降解活性。

其机理主要是：(1)铁硫化物的存在使其降解有机污染物的活性位点由零价铁转变为铁硫化物；而铁硫化物的疏水性使得有机污染物更易于与其结合，从而促进污染物的降解；(2)铁硫化物是半导体，其导电性优于零价铁表面的氧化层，所以它的存在可大幅提升电子从零价铁到目标污染物的传递效率。