申请日2010.05.19
公开(公告)日2010.09.29
IPC分类号B22F9/24; A62D101/28; A62D3/37
摘要
本发明公开了一种利用钢铁酸洗废水制备的纳米零价铁及其制备方法与应用。本发明通过过滤未去除铁离子的钢铁行业酸洗废水，接着调节滤液的pH值，再依次加入乙醇溶液和聚乙烯吡咯烷酮，然后加入硼氢化钠、无水乙醇和水配制成硼氢化钠溶液，在惰性气体保护下进行搅拌反应，然后固液分离，收集固体，洗涤，干燥，得到纳米零价铁;聚乙烯吡咯烷酮的加入质量相当于反应体系中总铁离子的质量;总反应体系中硼氢化钠的摩尔数为铁离子摩尔数的至少3倍。该方法能有效地将钢铁行业酸洗废水中的铁离子转化为纳米零价铁，转化率达99%以上。通过该方法得到的纳米零价铁颗粒大小在50～80nm之间，且都为球状颗粒和具有良好的晶型，降解多溴联苯醚能力强。
权利要求书
1.一种利用钢铁酸洗废水制备纳米零价铁的方法，其特征在于包含以下步骤：(1)钢铁行业酸洗废水的前处理：将未去除铁离子的钢铁行业酸洗废水过滤，滤掉固体残渣，接着调节滤液的pH值为4～6.5，同时测定该类废水中总铁离子的含量;
(2)硼氢化钠溶液的配制：将无水乙醇和水按体积比3∶7～5∶5混合均匀后，得到乙醇溶液;在前述乙醇溶液中加入硼氢化钠，得到硼氢化钠溶液;
(3)纳米零价铁的制备：于15～40℃，将步骤(1)得到的滤液中加入步骤(2)所述的乙醇溶液，再加入聚乙烯吡咯烷酮，搅拌混匀;接着加入步骤(2)配制的硼氢化钠溶液，得到的反应体系在惰性气体保护下进行搅拌反应，然后固液分离，收集固体，洗涤，干燥，得到纳米零价铁;总反应体系中，聚乙烯吡咯烷酮的质量相当于总铁离子的质量，硼氢化钠的摩尔数为铁离子摩尔数的至少3倍。
2.根据权利要求1所述利用钢铁酸洗废水制备纳米零价铁的方法，其特征在于：步骤(1)中所述的过滤为通过使用滤纸进行抽滤。
3.根据权利要求1所述利用钢铁酸洗废水制备纳米零价铁的方法，其特征在于：步骤(1)中所述的pH值为通过氢氧化钠溶液进行调节。
4.根据权利要求1所述利用钢铁酸洗废水制备纳米零价铁的方法，其特征在于：步骤(1)中所述的pH值为通过浓度0.5～2.0mol/L的氢氧化钠溶液进行调节。
5.根据权利要求1所述利用钢铁酸洗废水制备纳米零价铁的方法，其特征在于：步骤(1)中所述铁离子的含量的测定为通过原子吸收法进行。
6.根据权利要求1所述利用钢铁酸洗废水制备纳米零价铁的方法，其特征在于：步骤(3)中所述搅拌反应的条件为200～400rpm搅拌反应5～20min。
7.根据权利要求1所述利用钢铁酸洗废水制备纳米零价铁的方法，其特征在于：步骤(3)中所述的洗涤为先用去离子水洗涤，而后用乙醇洗涤，再用丙酮洗涤。
8.根据权利要求1所述利用钢铁酸洗废水制备纳米零价铁的方法，其特征在于：步骤(3)中所述的干燥为于60～80℃干燥10～15小时。
9.一种纳米零价铁，通过权利要求1～8任一项所述利用钢铁酸洗废水制备纳米零价铁的方法制备得到。
10.权利要求9所述的纳米零价铁应用于降解多溴联苯醚。
说明书
利用钢铁酸洗废水制备的纳米零价铁及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于环境工程中的废物利用和废水处理两大技术领域，特别涉及一种利用钢铁酸洗废水制备的纳米零价铁及其制备方法与应用。
背景技术
众所周知，钢铁行业酸洗废水的处理一直是世界环境问题的热点研究方向。在中国，该类废水一直被制定为危险污染物而严禁未经处理而排放到自然水体中。长久以来，该类废水的处理方法一直以沉积处理为主，并需要后续处理工艺，成本较高。由于该类废水中含有大量的金属，特别是铁离子，一些新的处理回收金属离子方法陆续出现，例如离子交换树脂，电解沉积等。但是这些方法操作复杂，成本高、无法一次性将铁离子转化为可再次利用的产品，同时存在可能产生二次污染等问题。因此，需要探索一种操作简单，同时所生产出来的产品有能被直接再次利用的处理技术对于环境和企业的经济效益都有着及其重要的意义。
当前，纳米零价铁以其高比表面、强反应活性、极佳的原位修复性和环境友好性成为一种极具发展前景的环境功能材料。在不同的环境介质中，例如水体和土壤中对染料，有机卤代物，重金属等有毒有害物质的降解和去除都表现出极佳的效果。纳米零价铁的制备需要以铁盐为原料，而钢铁废水中所含有的高浓度酸洗废水中恰恰可以作为合成纳米零价铁所需的铁离子。
申请号为200610016272.6的中国发明专利公开了“钢铁工业酸洗废弃盐酸循环利用并回收纳米铁粉及一氧化碳的方法”，虽然该方法可以有效的回收利用酸洗废水，但是其操作烦琐，所需操作条件及设备要求高。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点和不足，本发明的首要目的是提供一种利用钢铁酸洗废水制备纳米零价铁的方法。
本发明的另一目的在于提供通过所述方法得到的纳米零价铁。
本发明的再一目的在于提供所述纳米零价铁的应用。
本发明的发明目的通过下述技术方案实现：一种利用钢铁酸洗废水制备纳米零价铁的方法，包含以下步骤：
(1)钢铁行业酸洗废水的前处理：将未去除铁离子的钢铁行业酸洗废水过滤，滤掉固体残渣，接着调节滤液的pH值为4～6.5，同时测定该类废水中总铁离子的含量;
(2)硼氢化钠溶液的配制：将无水乙醇和水按体积比3∶7～5∶5混合均匀后，得到乙醇溶液;在前述乙醇溶液中加入硼氢化钠，得到硼氢化钠溶液;
(3)纳米零价铁的制备：于15～40℃，将步骤(1)得到的滤液中加入步骤(2)所述的乙醇溶液，再加入聚乙烯吡咯烷酮(PVP K-30)，搅拌混匀，乙醇溶液的作用是增大滤液的体积，有利于聚乙烯吡咯烷酮的溶解;接着加入步骤(2)配制的硼氢化钠溶液，得到的反应体系在惰性气体保护下进行搅拌反应，然后固液分离，收集固体，洗涤，干燥，得到纳米零价铁;总反应体系中，聚乙烯吡咯烷酮的质量相当于总铁离子的质量(即PVP K-30与Fe2+/Fe3+的质量相等)，硼氢化钠的摩尔数为铁离子摩尔数的至少3倍。
步骤(1)中所述的过滤优选通过使用滤纸进行抽滤;
步骤(1)中所述的pH值优选通过氢氧化钠溶液进行调节;更优选为浓度0.5～2.0mol/L的氢氧化钠溶液进行调节;
步骤(1)中所述铁离子的含量的测定优选通过原子吸收法进行;
步骤(3)中所述的惰性气体优选氮气;
步骤(3)中所述搅拌反应的温度更优选为20～35℃;
步骤(3)中所述搅拌反应的条件优选为200～400rpm搅拌5～20min;
步骤(3)中所述的固液分离优选通过磁选法进行;
步骤(3)中所述的洗涤优选为先用去离子水洗涤，而后用乙醇洗涤，再用丙酮洗涤;
步骤(3)中所述的干燥优选为于60～80℃干燥10～15小时;
一种纳米零价铁，通过上述利用钢铁酸洗废水制备纳米零价铁的方法制备得到;该纳米零价铁颗粒大小在50～80nm之间，且都为球状颗粒;用BET-N2比表面分析法测定其比表面积，其比表面积为35m2/g;
所述纳米零价铁应用于降解多溴联苯醚;应用的方法包括以下步骤：在多溴联苯醚溶液中加入所述纳米零价铁反应即可;更优选为在100ml浓度为2mg/L的多溴联苯醚溶液中加入0.3～0.6g的纳米零价铁，反应时间为24个小时。
本发明的发明原理为：
Fe(H2O)62++2BH4-→Fe0↓+2B(OH)3+7H2↑ (1)
Fe(H2O)63++3BH4-+3H2O→Fe0↓+2B(OH)3+10.5H2↑ (2)
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
(1)本发明所述的方法操作简单，反应条件温和，在常温常压下就可进行;而且耗时短，能耗低，能有效地将钢铁行业酸洗废水中的铁离子转化为纳米零价铁，转化率为99%以上。
(2)通过本发明所述的方法制备得到的纳米零价铁颗粒大小在50～80nm之间，且都为球状颗粒。用BET-N2比表面分析法测定其比表面积，表明其比表面积为35m2/g;利用XRD对两者进行分析发现，废酸纳米铁为具有良好的晶型，而用硫酸亚铁制备的纳米铁为无定形结构(如图1所示)。
(3)本发明所述纳米零价铁在降解多溴联苯醚时明显优于采用化学试剂-硫酸亚铁为铁源所制备出的纳米零价铁和普通的市售还原铁粉，本发明制备的纳米零价铁对多溴联苯醚作用，在24个小时内的去除率可达100%。本发明在实现钢铁行业酸洗废水的再利用方面和环境有机卤代污染物的降解去除方面都会有很好的应用前景，具有较高的环境经济效益和企业效益。
