一种高活性零价金属铝粉体的制备方法及其应用

本发明涉及一种制备高还原活性零价金属铝粉体的方法及其应用，属于环境化学领域零价金属还原去除水中污染物研究方向。

背景技术：

1、20世纪70年代开始，由于世界人口迅猛增长和经济快速发展，导致全球用水量剧增，水污染也日益严重。水资源短缺已经成为一个世界性的问题，世界各地对水资源的需求面临着越来越大的竞争，水污染处理问题是一项迫切且十分艰巨的任务。

2、零价金属去除水中污染物一直是环境净化领域的研究热点。零价金属具有较强的还原活性，广泛应用于各种污染废水处理、地下水修复和污染土壤处理等，是最有前途的环境净化和修复技术之一。目前常用的零价金属包括铁、铜、锌、镁、铝等，其中零价铁的应用最为广泛。然而，零价铁去除污染物过程中受到溶液ph值范围的限制以及高还原电位和低还原反应驱动力的影响，使得零价金属铝的独特性质引起了人们的关注。铝是地壳中含量最为丰富的金属，其氧化还原电位(e0(al3+/al0)＝-1.662v)远低于零价铁(e0(fe2+/fe0)＝-0.44v)等其他常见零价金属，具有较强的还原活性和电子转移能力。更重要的是，由于铝的两性化学性质，ph值的适用范围可以从酸性扩展到碱性。

3、普通大气环境条件下，在铝颗粒表面存在一层致密的氧化物保护膜，阻碍了其电子的转移，降低了金属铝对溶液中目标污染物的还原效率。金属铝颗粒表面的氧化物是两性化合物，在ph值大于10.5或小于3.5的水溶液中表面氧化物层易被腐蚀，使得金属铝可以快速还原水溶液中的目标污染物，但在中性条件下其对水溶液中目标污染物的还原作用不佳。因此，在中性条件下如何使用金属铝去除水溶液中的污染物成为人们关注的热点。目前针对铝粉体表面处理的方法包括酸洗、碱洗等，但这些传统的活化铝方法会对环境产生二次污染，而最近发展的高能球磨活化铝的方法需要消耗大量的能量。因此，发展一种环境友好、简单方便的铝粉体表面活化技术，且其能够有效应用于ph中性溶液，一直是这一领域努力的目标，成为急需解决的技术问题。

技术实现思路

1、为了探究一种简单廉价且环境友好的铝颗粒表面活化处理技术，本发明的目的在于提供一种高活性零价金属铝粉体的制备方法及其应用，将铝粉体水中浸泡活化，去除水中有害离子。本发明操作简单、经济高效的铝活化方法，即通过水中浸泡处理使零价金属铝颗粒表面产生精细而且松散的絮状纳米氢氧化铝晶粒；通过改变其表面致密氧化层的结构，来提高铝粉体的还原活性，并用于去除ph中性水溶液中的污染物。

2、为达到上述发明创造的目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种高活性零价金属铝粉体的制备方法，包括以下步骤：

4、a.将粒径为微米尺度的al粉体加入到去离子水中，形成悬浊液；

5、b.在室温条件下浸泡al粉体，并对在所述步骤a中得到的悬浊液进行磁力搅拌，使al粉体与水发生水合反应，在al颗粒表面形成絮状的纳米氢氧化铝(al(oh)3)晶粒，水合反应的化学反应方程式如下：

6、al2o3+3h2o→2al(oh)3↓   (1)

7、2al+6h2o→2al(oh)3↓+3h2↑   (2)

8、c.使用高速离心的方法得到含水量少的al粉体浆料，然后将得到的al粉体浆料进行冷冻干燥处理，得到干燥且表面覆盖纳米al(oh)3晶粒的高活性零价金属al粉体。

9、优选地，在所述步骤a中，去离子水的ph为6.5±0.5。

10、优选地，在所述步骤a中，al粉体的颗粒粒径不大于50μm。

11、优选地，在所述步骤a中，al粉体的颗粒粒径为4.7～50μm。

12、优选地，在所述步骤b中，al粉体的浸泡温度为25～30℃，磁力搅拌的转速不低于500转/分钟。

13、优选地，在所述步骤c中，使用离心的方法，可知离心速度不低于5000转/分钟，离心时间为至少10min。

14、优选地，在所述步骤c中，冷冻干燥处理，冷冻预处理时间为至少6h，低温冷冻干燥时间为至少24h。

15、优选地，在所述步骤c中，按照质量百分比计算，使用高速离心的方法得到含水量少的al粉体浆料的含水量不大于70wt.％。

16、优选地，在所述步骤c中，所制备的高活性零价金属al粉体的氧化还原电位e0(al3+/al0)＝-1.662v。

17、一种本发明所述高活性零价金属铝粉体的应用，利用本发明所述高活性零价金属铝粉体的制备方法制备高活性零价金属铝粉体，在大气环境条件下，在零价金属铝粉体颗粒表面不会再次形成致密的氧化物保护膜，并在常温至45℃温度条件下，去除ph中性水溶液中的污染物。

18、优选地，所述污染物为六价铬离子、溴酸根离子和硝酸根离子中至少一种污染物。

19、优选地，本发明所述高活性零价金属铝粉体，在常温至30～40℃温度条件下，去除ph中性水溶液中的污染物。

20、本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

21、1.本发明突破现有技术障碍，首次使用水中浸泡的处理方法获得了高还原活性的零价金属铝粉体；

22、2.本发明浸泡处理的条件要求低，操作过程简单，只需要在25～30℃的水浴槽中加热和磁力搅拌；本发明使用的铝粉体容易获得且价格低廉：金属铝是一种常用的金属材料，1千克铝粉体只需要十几元人民币，因此，本发明水中浸泡处理的方法非常容易实现工业化工艺和规模量产，且成本低廉；

23、3.本发明处理的铝粉体只需在常温常压及干燥的环境下储存和运输即可；

24、4.本发明使用水中浸泡的方法使零价金属铝颗粒表面产生精细且松散的絮状纳米氢氧化铝晶粒，提高铝粉体的还原活性，不依赖催化剂、酸、碱等，因此可方便无二次污染地应用于还原水中的污染物。

25、5.本发明方法简单，成本低，适合推广使用。

技术特征：

1.一种高活性零价金属铝粉体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述高活性零价金属铝粉体的制备方法，其特征在于：在所述步骤a中，去离子水的ph为6.5±0.5。

3.根据权利要求1所述高活性零价金属铝粉体的制备方法，其特征在于：在所述步骤a中，al粉体的颗粒粒径不大于50μm。

4.根据权利要求1所述高活性零价金属铝粉体的制备方法，其特征在于：在所述步骤b中，al粉体的浸泡温度为25～30℃，磁力搅拌的转速不低于500转/分钟。

5.根据权利要求1所述高活性零价金属铝粉体的制备方法，其特征在于：在所述步骤c中，使用离心的方法，可知离心速度不低于5000转/分钟，离心时间为至少10min。

6.根据权利要求1所述高活性零价金属铝粉体的制备方法，其特征在于：在所述步骤c中，冷冻干燥处理，冷冻预处理时间为至少6h，低温冷冻干燥时间为至少24h。

7.根据权利要求1所述高活性零价金属铝粉体的制备方法，其特征在于：在所述步骤c中，按照质量百分比计算，使用高速离心的方法得到含水量少的al粉体浆料的含水量不大于70wt.％。

8.一种权利要求1所述高活性零价金属铝粉体的应用，其特征在于：利用权利要求1所述高活性零价金属铝粉体的制备方法制备高活性零价金属铝粉体，在大气环境条件下，在零价金属铝粉体颗粒表面不会再次形成致密的氧化物保护膜，并在常温至45℃温度条件下，去除ph中性水溶液中的污染物。

9.根据权利要求8所述应用，其特征在于：所述污染物为六价铬离子、溴酸根离子和硝酸根离子中至少一种污染物。

技术总结
本发明公开了一种高活性零价金属铝粉体的制备方法及其应用，所制备的高活性零价金属铝粉体在去除pH中性水溶液中有毒六价铬离子及其它有害阴离子方面的效果突出。本发明使用简单且环境友好的方法来提高铝粉体的还原活性，即将微米尺寸粒径的铝粉体加入到水中浸泡，使铝颗粒与水反应并在其表面覆盖一层精细松散的絮状氢氧化铝纳米颗粒，经冷冻干燥后得到精细氢氧化铝表面改性的铝粉体。相比原始铝颗粒表面的致密氧化膜阻碍其内部电子的释放，精细氢氧化铝表面改性的铝粉体能够快速释放其内部的电子，高效还原去除pH中性水溶液中的六价铬离子、溴酸根离子和硝酸根子离子。本发明方法可用于水中的重金属及其它有害污染物的去除。

技术研发人员：邓振炎,彭涛,周伟,代以功,郭晓晗
受保护的技术使用者：上海大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12