[發明專利]磁性載鐵有序介孔碳及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201310272004.0
• 申請日: 2013-07-01
• 公開（公告）號: CN103301809A
• 公開（公告）日: 2013-09-18
• 發明（設計）人: 湯琳;楊貴德;曾光明;黎思思;龐婭;章毅;蔡葉;張盛;王佳佳;周耀渝
• 申請（專利權）人: 湖南大學
• 主分類號: B01J20/20
• 分類號: B01J20/20;B01J20/28;B01J20/30;C02F1/28;C02F1/62;C02F101/22
• 代理公司: 湖南兆弘專利事務所 43008
• 代理人: 趙洪

技術領域

本發明涉及一種介孔材料及其制備和在廢水處理領域中的應用，尤其涉及一種載鐵有序介孔碳及其制備和在處理水體六價鉻中的應用。

背景技術

重金屬元素六價鉻廣泛存在于合金、鋼鐵制造以及皮革生產等工業廢水中，具有很高的毒性、致癌性以及水溶性，其毒性甚至比同類的Cr（III）高出數百倍，嚴重危害到人類的生命健康。因此，水體中六價鉻的去除在國內外引起了廣泛的關注。

目前，去除水體中六價鉻的方法主要有：離子交換法、化學沉淀法、氧化還原法和吸附法。其中，氧化還原法和吸附法由于其成熟的技術、快速方便的操作、較低的成本以及較高的處理效率，引起了人們的興趣和關注。

有序介孔碳具有大的比表面積、孔體積、較高的水熱穩定性和獨特的物化性質，在水體污染物的吸附去除方面具有很大優勢，而納米鐵粒子也因為其優異的還原能力和磁性分離能力在水處理方面受到越來越多的關注；同時，其與水體中鉻離子獨特的螯合能力也能增強吸附劑對水體中六價鉻的去除能力。然而，由于納米級顆粒固有的團聚性以及低價鐵的易氧化性，納米級鐵粒子的應用受到限制。

發明內容

本發明要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種具有大比表面積和孔體積、適用范圍廣、理化性質穩定的可用于處理重金屬廢水的磁性載鐵有序介孔碳，還提供一種工藝步驟簡單、實用性強的磁性載鐵有序介孔碳的制備方法，還相應提供磁性載鐵有序介孔碳在去除水體中重金屬六價鉻離子的應用，該應用具有去除量大、去除效率高、受外界影響小、去除效果穩定可靠、且吸附劑可回收利用等優點。

為解決上述技術問題，本發明提出的技術方案為一種磁性載鐵有序介孔碳（Fe/CMK-3），其是以有序介孔碳為載體，所述載體通過硬模板法制備得到，有序介孔碳的比表面積高達675m²/g～700m²/g，磁性納米粒子通過納米共澆鑄法負載在載體上（鑲嵌在有序介孔碳的孔道內外）；磁性納米粒子主要由零價鐵和鐵的氧化物組成，鐵的氧化物包含四氧化三鐵和/或γ–三氧化二鐵（孔道內部包含有α-Fe、Fe₃O₄，而外部部分形成了γ-Fe₂O₃），磁性納米粒子中鐵元素的配量按硬模板法中每克介孔硅模板原料配1mmol～1.5mmol鐵元素（即鐵源物質）計，所述磁性載鐵有序介孔碳的孔徑分布主要集中在5nm（4.5nm～5.5nm）和3.8nm（3.5nm～4nm）附近區域，所述磁性載鐵有序介孔碳的顆粒尺寸介于2nm～50nm之間。

作為一個總的技術構思，本發明還提供了一種磁性載鐵有序介孔碳的制備方法，包括以下步驟：

（1）初次碳源填充：將鐵源物質（優選硝酸鐵及其水合物、或者氯化鐵及其水合物）、蔗糖溶于硫酸溶液中，形成多元混合物，浸漬介孔硅SBA-15模板，進行初次碳源填充，每克介孔硅SBA-15模板原料優選配1mmol～1.5mmol的鐵源物質，然后采用兩段式熱處理，得到初步C/Si復合物；

（2）二次碳源填充：為使碳源充分飽和，用含蔗糖的硫酸溶液（上述未添加鐵源的多元溶液）浸漬所述初步C/Si復合物，進行二次碳源填充，然后采用兩段式熱處理，得到碳飽和浸漬復合物；

（3）高溫碳化：在氮氣氛圍中，以3℃/min～5℃/min升溫速率升溫至850℃～900℃進行恒溫高溫碳化4h～6h，制備出Fe/C-Si復合物，再使用加熱后的NaOH溶液（80℃～90℃）脫出硅模板，經水洗、磁性分離、真空干燥后即得到磁性載鐵有序介孔碳。

本發明上述的磁性載鐵有序介孔碳主要是通過硬模板法和納米共澆鑄法共同作用生成，利用納米共澆鑄法將鐵納米粒子負載在介孔碳上，不僅對材料提供磁性，方便吸附分離再生，而且對水體中六價鉻離子進行吸附和還原雙重去除功能，對水體Cr（VI）的去除具有重大意義。

如果在上述本發明的步驟（1）中不添加鐵源，則相同條件下可制備出普通的有序介孔碳（CMK-3）產品。