[发明专利]一种纳米零价铁碳材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及纳米材料领域，具体涉及一种纳米零价铁碳材料及其制备方法和应用。该材料包括碳层和均匀分布在碳层中的超细纳米零价铁，其中铁含量高达92‑97％，纳米零价铁的粒径在3‑8nm之间，进一步地，所述纳米零价铁碳材料的元素组成还包括氧和氮中的至少一种，其中铁氮之间存在配位键，所述纳米零价铁碳材料为多孔材料，比表面积为120‑140m²/g，孔体积为0.3‑0.4cm³/g，孔径为2‑3nm。本发明提供的纳米零价铁碳材料具有较好的降解有机污染物的活性，可以用在有机物污染的污水处理中。

技术领域

本发明涉及纳米材料领域，具体涉及一种纳米零价铁碳材料及其制备方法和应用。

背景技术

常用的水处理方法有吸附法、混凝法、膜分离法、微生物降解法、铁碳微电解法等。其中，铁碳微电解法的基本原理是：在污染水体中，铁碳材料由于铁和碳存在电位差而形成无数微小原电池，其中低电位铁为阳极，高电位碳为阴极，在酸性条件下发生电化学反应而使污染物降解。同时，材料利用溶液中的溶解氧原位生成H₂O₂，H₂O₂分解产生高活性的羟基自由基，进一步提高有机污染物的降解效率。铁碳微电解法用于污水处理中有材料来源广、适用范围大、易于工业化、成本低廉、处理效果好等优点，因此在处理化工、印染、电镀等实际废水中得到应用。传统微电解材料将废铁屑作为铁源、焦炭作为碳源经过物理混合得到，虽然材料成本较低，但原电池反应容易出现阴阳极分离，影响污染物的降解效果，从而制约了微电解法的进一步推广使用。为了改善这些劣势，对材料制备技术不断的改进，开发了新型的双金属微电解材料、不同类型碳的负载型微电解材料，这些材料不同程度的提高了对污染物的催化降解能力。

纳米零价铁(nZVI)具有反应活性高、表面能大、空间约束小等优点。碳负载的纳米零价铁材料将nZVI颗粒分散在碳支撑材料中，减少了nZVI的团聚，碳材料起到保护nZVI的作用，防止nZVI在降解污染物过程中的腐蚀，是水环境修复和污水处理方面的研究热点。在微电解过程中，nZVI和碳之间通过电子传递加速Fe²⁺、[H]、O·等活性成分的生成，从而促进有机污染物的降解。nZVI的活性受暴露面和nZVI量的影响，同等质量下减小零价铁的粒径，增加零价铁和碳的接触面积，形成更多的微小原电池是提高微电解降解有机污染物的关键。零价铁尺寸大或纳米零价铁量少时，材料的活性位点少，微电解过程中零价铁利用率低，形成微电池的数量少，最终导致催化效率低。而合成材料过程中添加大量铁前体物质，会造成生成的零价铁大量团聚。因此，开发一种制备方法简单、纳米零价铁尺寸小、数量多且分布均匀的纳米零价铁碳材料，能够有效提高材料催化降解污染物的性能，对于微电解技术的广泛应用具有非常重要的意义。

纳米零价铁的制备方法主要有以NaBH₄为还原剂的液相还原法、氢气等为还原剂的气相还原铁氧化物法、碳热还原法及高能球磨铁粉法等。其中，利用NaBH₄还原法和氢气还原法能够制得较高活性的nZVI，但NaBH₄的价格高，制备工艺复杂，制备过程中使用或产生易燃易爆的H₂存在潜在危险，从而阻碍了这些方法在大规模生产纳米零价铁碳材料中的应用。利用高能球磨铁粉法存在颗粒不均匀的问题，相比之下，碳热还原法的反应是吸热过程，易于规模化和连续化生产，但材料容易团聚和钝化的问题同样限制其实际应用。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种用于高效去除环境水样中有机污染物，尤其制药废水中难降解的抗生素类污染物的纳米零价铁碳材料。

本发明的另一个目的在于，提供所述纳米零价铁碳材料的制备方法。

本发明的目的是采用以下技术方案实现的。

一方面，本发明提供了一种纳米零价铁碳材料，该材料包括碳层和均匀分布在碳层中的纳米零价铁，其中纳米零价铁的粒径在3-8nm之间。