[发明专利]一种活性炭-零价铁复合凝胶颗粒及其制备方法和去除重金属离子的应用

说明书

本发明公开了一种活性炭‑零价铁复合凝胶颗粒及其制备方法和去除重金属离子的应用，属于重金属污染修复技术领域。将天然高分子化合物海藻酸钠，粉状活性炭，纳米零价铁粉在水中充分搅拌混合后与氯化钙交联，形成大小为1‑3mm的活性炭‑零价铁复合凝胶颗粒。由于该制备方法综合考虑了海藻酸钠表面官能团与重金属离子的络合作用、活性炭与重金属离子的吸附作用、纳米铁与重金属离子的还原作用，使得该材料具有造价低、易制备、环境友好性强、重金属离子去除性能高等显著优点，且多次循环使用后依然保持良好的反应活性，呈现出优秀的工业应用潜能。

技术领域

本发明属于重金属污染修复技术领域，具体涉及一种活性炭-零价铁复合凝胶颗粒及其制备方法和去除重金属离子的应用。

背景技术

重金属是指密度大于5.0g/cm³的金属，在工业生产中，如制革、电镀、燃料和采矿等行业会排放出大量的重金属离子(如铅、镉、锌、铜、镍、锰和钴等)进入生态环境。由于重金属离子在生态环境中难以降解，可通过皮肤接触或吸入等方式被生物有机体吸收，且经过生物机体的富集放大，最终通过食物链进入人体从而对公共健康造成严重威胁。其中以铬(Cr)和镉(Cd)元素最为严重。铬通常处于两种稳定的氧化态，即Cr³⁺和Cr⁶⁺，三价铬毒性较小，可作动植物的重要营养素，六价铬有剧毒及腐蚀性，长期暴露在六价铬环境中可能引发呼吸性疾病，甚至癌症。镉迁移能力极强，容易在土壤中被吸收富集，同时镉对人类健康有极大威胁，能够使生物骨骼严重软化，引起骨痛病，还会引起胃脏功能失调并干扰人体和生物体内的酶系统，导致高血压症等。因此，探寻有效处理铬(Cr)和镉(Cd)的方法具有非常重要的社会意义与经济效益。

通常处理重金属离子的方法包括化学还原法，化学沉淀法，反渗透法，吸附法等，这些方法均存在成本较高，具有二次污染，处理效果一般等不足。纳米零价铁原位还原修复技术作为一种新兴的处理方法，由于其操作简便、成本低、能耗低、设计灵活、可回收性方便等优点而受到广泛关注。作为第一过度系金属元素，单质铁易失去电子形成二价铁离子或三价铁离子，表现出良好的还原性能，可以去除多种重金属离子，如铬、镉、铅、铜、镍等。但该方法同时也存在一些问题：(1)由于其粒度小，导致表面能高，易发生团聚；(2)还原性能使得其易被空气氧化，从而失活且难以存储；(3)造价高，成本通常为5-10万元/吨。

要解决上述问题，需要对纳米铁进行改性。常见的改性方法有化学法和物理法，物理法为搅拌、微波等物理过程来改性材料，其缺点在于仅仅解决了易团聚的科学问题，实际上经过一段时间后，团聚现象再次发生。化学法包括负载法(将纳米铁负载在多孔材料上)或者包埋法(将纳米铁利用有机物等进行包覆)。与物理法相比，化学法虽然较为彻底地解决了团聚问题，同时也保护了纳米铁不被空气氧化，但经济成本仍然居高不下。此外，化学法采用的有机改性剂也具备一定的生物毒性，具有产生二次污染的风险。

因此，基于上述背景，开发制备成本低、易操作、环境友好性强的纳米零价铁改性方法迫在眉睫。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种活性炭-零价铁复合凝胶颗粒及其制备方法和去除重金属离子的应用，能够有效解决现有的纳米零价铁颗粒粒度肖、易失活、难以储存以及制备成本过高的技术问题。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开了一种活性炭-零价铁复合凝胶颗粒的制备方法，包括以下步骤：

1)将海藻酸钠加入水中，搅拌至充分混匀，获得透明的海藻酸钠溶液，静置排出气泡；

2)将活性炭粉末、纳米零价铁粉末加入步骤1)制得的海藻酸钠溶液中，搅拌至充分混匀，制得混合溶液；

3)将混合溶液中滴加至氯化钙溶液中，经交联反应制得固体颗粒，将固体颗粒分离、清洗、干燥，制得活性炭-零价铁复合凝胶颗粒。