申请日2017.08.30
公开(公告)日2017.11.17
IPC分类号B01J20/20; B01J20/28; C02F1/28; C02F1/36; B01J20/30; C02F101/22
摘要
本发明公开了一种氟氮共掺杂的磁性碳材料去除工业废水中六价铬离子的方法。该方法包括如下步骤：(1)调节含六价铬离子的工业废水的pH值，再加入固体吸附剂氟氮共掺杂的磁性碳材料，形成混合悬浮液;(2)对步骤(1)所得混合悬浮液加热，并进行超声处理;超声处理结束后，分离回收固体吸附剂，排出处理后的废水。本发明反应温度较低，处理时间短，流程简单，不仅降低了吸附过程中的能耗，也提高了吸附的效率，节约时间。本发明以氟氮共掺杂的磁性碳材料作为吸附剂，与废水溶液可直接过滤分离;同时制备该吸附剂的原料具有来源广泛，吸附活性较高，易分离，价格便宜，无腐蚀且环境友好，稳定性好，可循环使用等优点。
权利要求书
1.一种氟氮共掺杂的磁性碳材料去除工业废水中六价铬离子的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)调节含六价铬离子的工业废水的pH值，再加入固体吸附剂氟氮共掺杂的磁性碳材料，形成混合悬浮液;
(2)对步骤(1)所得混合悬浮液加热，并进行超声处理;超声处理结束后，分离回收固体吸附剂，排出处理后的废水。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述含六价铬离子的工业废水中，六价铬离子的浓度为0.001~1000 mg/L。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述调节含六价铬离子的工业废水的pH值为1~11。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述氟氮共掺杂的磁性碳材料中，磁性掺杂颗粒为Fe，F的含量为0.1~5.0 wt%，N的含量为1.0~5.0 wt%，Fe的含量为0.1~3wt%。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述氟氮共掺杂的磁性碳材料的制备包括以下步骤：将三聚氰胺、聚偏四氟乙烯和九水硝酸铁分散在乙醇溶剂中，在60~130℃下烘干，随后放入管式炉中，在氮气气氛下升温至650~900℃保温1~4小时，保温结束后降至常温，取出，得到氟氮共掺杂的磁性碳材料;所述三聚氰胺和聚偏四氟乙烯的总质量与九水合氯化铁的质量比为(0.1~10):1，所述三聚氰胺和聚偏四氟乙烯的质量比为(0.1~5):1。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述固体吸附剂相对于工业废水的浓度为0.0001~100 g/L。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述加热是加热至温度为10~50℃。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述超声处理的功率为10~300W。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述超声处理的频率为0.1~100 KHZ。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述超声处理的时间为0.01～20h。
说明书
一种氟氮共掺杂的磁性碳材料去除工业废水 中六价铬离子的方法
技术领域
本发明涉及含六价铬离子废水的治理领域，具体涉及一种氟氮共掺杂的磁性碳材料去除工业废水中六价铬离子的方法。
背景技术
社会现代化进程的加快，使得环境污染问题愈演愈烈，其中地球表面的水污染问题已经成为国际上的热点话题。现代工业导致排放的污水中所含重金属离子种类与浓度越来越多，比如铬，汞，镉，铅和砷[Journal of Hazardous materials,2009,161(2–3):1103-1108]。其中，六价铬离子是一种常见的剧毒污染物。而其在水溶液中具有较大溶解性，且有很强的移动性，因此对环境和人类的生存影响巨大[Environmental Science&Technology,2010,44(16):6202-6208]。美国环境保护局规定，铬离子在饮用水中的最大限额为100μg/L[Water Research,2007,41(10):2101-2108]。针对目前所存在的一些问题，目前科研界已开发了一些技术以去除重金属离子，包括氰化法、化学沉淀、化学还原法、离子交换和反渗透法[Separation and Purification Technology,2002,26(2):137-146;Journal ofHazardous materials,2009,167(1):260-267;Advances in Environmental Research,2003,7(2):471-478;Journal of Hazardous materials,2003,97(1):49-57;Journal ofHazardous materials,2009,170(2):1119-1124]。但是，这些方法均存在较为明显的缺陷。近期研究发现，采用吸附法具有明显优势，其成本较低并且高效[ACS Applied Materials&Interfaces,2013,5(3):598-604]，可以更有效地除去重金属。
磁性碳纳米复合材料由于其优异的除重金属离子能力和易于分离的特性，已经越来越受到学界的重视。磁性碳纳米复合材料的制备一般是在碳材料制备过程过引入磁性金属盐(如Fe等)，从而赋予其优异的磁性，有助于在吸附完成之后快速分离[Journal ofMaterials Chemistry A,2015,3(18):9817-9825]。自去年开始，往磁性碳材料中进行表面改性和掺杂并应用于环境处理逐渐成为一个热点[Carbon 2016;109:640-649;Carbon2017;115:503-514]。我们的研究证实杂原子的引入可以有效调节吸附剂的表面电子特性，从而增强其对重金属离子的吸附作用。氮掺杂的磁性介孔碳材料作为吸附剂具有优异的除铬离子去除性能，其吸附量可达～2000mg/g[Carbon 2016;109:640-649]。同时，杂原子掺杂的磁性碳材料具有较强的金属去除能力，其单位面积除铬速率远高于其他非掺杂的磁性材料。据此，我们可以证实双元掺杂的磁性碳材料应具有更好的吸附性能，而这一方面的研究目前国内外未有先例。本发明采用的氟氮共掺杂的磁性碳材料为吸附剂治理工业废水重金属离子目前还未有相关报道，这也是本发明的最大亮点。
基于此，采用氟氮共掺杂的磁性碳材料用于去除工业废水中的六价铬离子，提出吸附去除工业废水中六价铬离子的方法，该研究方法在相关领域仍未见报道。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种氟氮共掺杂的磁性碳材料去除工业废水中六价铬离子的方法。该方法以氟氮共掺杂的磁性碳材料为固体吸附剂，通过超声处理吸附工业废水中的六价铬离子，流程简单，操作安全，对废水中的六价铬离子的分离效率高，且处理后的固体吸附剂易分离回收利用。
本发明的目的通过如下技术方案实现。
一种氟氮共掺杂的磁性碳材料去除工业废水中六价铬离子的方法，包括如下步骤：
(1)调节含六价铬离子的工业废水的pH值，再加入固体吸附剂氟氮共掺杂的磁性碳材料，形成混合悬浮液;
(2)对步骤(1)所得混合悬浮液加热，并进行超声处理;超声处理结束后，分离回收固体吸附剂，排出处理后的废水。
进一步地，步骤(1)中，所述含六价铬离子的工业废水中，六价铬离子的浓度为0.001～1000mg/L。
进一步地，步骤(1)中，所述调节含六价铬离子的工业废水的pH值为1～11。
进一步地，步骤(1)中，所述氟氮共掺杂的磁性碳材料中，磁性掺杂颗粒为Fe，F的含量为0.1～5.0wt%，N的含量为1.0～5.0wt%，Fe的含量为0.1～3wt%。
进一步地，步骤(1)中，所述氟氮共掺杂的磁性碳材料通过三聚氰胺、聚偏四氟乙烯和九水硝酸铁一步法热解制备得到：
取三聚氰胺、聚偏四氟乙烯和九水硝酸铁分散在乙醇溶剂中，烘干，随后放入管式炉中，在氮气气氛下升温后保温，保温结束后降至室温，取出，得到所述氟氮共掺杂的磁性碳材料。
更进一步地，所述三聚氰胺和聚偏四氟乙烯的总质量与水合氯化铁的质量比为0.1～10:1。
更进一步地，所述三聚氰胺和聚偏四氟乙烯的质量比为0.1～5:1
更进一步地，所述烘干是在60～130℃烘干。
更进一步，所述升温的速率为10℃/min。
更进一步地，所述保温是在650～900℃保温1～4小时。
进一步地，步骤(1)中，所述固体吸附剂相对于工业废水的浓度为0.0001～100g/L。
进一步地，步骤(2)中，所述加热是加热至温度为10～50℃。
进一步地，步骤(2)中，所述超声处理的功率为10～300W。
进一步地，步骤(2)中，所述超声处理的频率为0.1～100KHZ。
进一步地，步骤(2)中，所述超声处理的时间为0.01～20h。
废水处理结束后，回收的固体吸附剂采用pH为9～14的碱性水溶液清洗再生，得到干净的再生固体吸附剂，并作为固体吸附剂重新进入下一次的废水处理中。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
(1)本发明反应温度较低，处理时间短，流程简单，操作安全，不仅降低了吸附过程中的能耗，也提高了吸附的效率，节约时间。
(2)本发明以氟氮共掺杂的磁性碳材料吸附剂活性作为吸附剂，吸附剂和废水溶液可直接过滤分离;同时氟氮共掺杂的磁性碳材料制备原料具有来源广泛，且吸附剂吸附活性较高，易分离，价格便宜，无腐蚀且环境友好，稳定性好，可循环使用等优点。