一种超薄镁铁超稳矿化剂及其制备方法和在砷污染耕地修复方面的应用

本发明涉及重金属污染治理，尤其涉及一种超薄镁铁超稳矿化剂及其制备方法和在砷污染耕地修复方面的应用。

背景技术：

1、目前，耕地重金属污染形势严峻，重金属主要包括镉、镍、砷等，尤其砷污染尤其突出，砷以高毒性的无机砷化合物存在。由于无机砷的难生物降解性、强迁移性和高生物有效性，土壤中的无机砷污染物不仅在长时间内无法自然降解，而且可通过农作物根系进入到粮食中。鉴于砷的高毒性和强致癌性(在美国有毒物质与疾病登记署发布的优先控制有害物质清单(2019)中位列第一)，砷污染粮食给人民健康带来严重威胁。

2、目前针对砷污染主要采用吸附的方式进行处理，吸附剂是关键，现有吸附剂主要包括天然矿物，如凹凸棒石、磁铁矿、赤铁矿、活性炭等，而上述天然矿物的选择性低、吸附容量小，在使用过程中容易受到其它离子的干扰导致吸附效率快速下降；此外，受矿物本身结构的限制，上述天然矿物与砷之间主要靠弱的静电引力进行吸附，在外界条件变化时，吸附的砷又很容易脱附，造成再次污染。与天然矿物相比，研究人员开发了具有多孔结构的有机金属骨架材料、多孔聚合物材料、有机/无机复合材料等用于砷污染的修复。对于这些合成材料，虽然表现出了较好的选择性和吸附量，但是合成过程中会涉及使用大量的有机物，因而反应后产生高cod废水，在废水处理中不仅提高了制备成本而且存在严重的环境污染问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种超薄镁铁超稳矿化剂及其制备方法和在砷污染耕地修复方面的应用。本发明提供的制备方法合成方法简便、无含盐废水产生，有效降低了材料的制备成本，且具有优异的选择性和吸附量。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

3、本发明提供了一种超薄镁铁超稳矿化剂的制备方法，包括以下步骤：

4、在还原性气体的条件下，将碳酸镁进行焙烧，得到氧化镁；

5、将所述氧化镁和铁化合物分散于去离子水中，依次进行第一反应和第二反应，得到所述超薄镁铁超稳矿化剂；

6、所述焙烧的温度为400～600℃；

7、所述铁化合物包括乙酸铁和/或柠檬酸铁。

8、优选地，所述还原性气体包括氢气或一氧化碳。

9、优选地，所述焙烧的时间为3～6小时。

10、优选地，所述铁化合物中铁和氧化镁中镁的物质的量的比为1：4～1：2。

11、优选地，所述氧化镁和铁化合物分散于去离子水中包括：将所述氧化镁分散于去离子水中，得到氧化镁分散液；将铁化合物分散于去离子水中，得到铁化合物溶液；将所述氧化镁分散液和铁化合物溶液混合；所述氧化镁分散液的浓度为0.1～1.2mol/l；所述铁化合物溶液的浓度为0.025～0.6mol/l。

12、优选地，所述第一反应的温度为30～60℃，时间为1～3小时。

13、优选地，所述第二反应的温度为110～160℃，时间为2～6小时。

14、优选地，所述第二反应后，还包括：将所得第二反应料液固液分离，将所得固体进行冷冻干燥。

15、本发明还提供了上述技术方案所述的制备方法制得的超薄镁铁超稳矿化剂，所述超薄镁铁超稳矿化剂呈现出极薄的二维片状结构。

16、本发明还提供了上述技术方案所述的超薄镁铁超稳矿化剂在砷污染耕地修复方面的应用。

17、本发明提供了一种超薄镁铁超稳矿化剂的制备方法，包括以下步骤：在还原性气体的条件下，将碳酸镁进行焙烧，得到氧化镁；将所述氧化镁和铁化合物分散于去离子水中，依次进行第一反应和第二反应，得到所述超薄镁铁超稳矿化剂；所述焙烧的温度为400～600℃；所述铁化合物包括乙酸铁和/或柠檬酸铁。

18、有益效果

19、(1)无含盐废水产生：本发明的铁化合物所选用的乙酸铁或柠檬酸铁中乙酸根或柠檬酸根在高温水热反应中会形成co2，而不会产生无机阴离子，因而在反应过程中无含盐废水的产生。

20、(2)本发明的氧化镁是以碳酸镁为原料，在还原性气体下于400～600℃焙烧而得，该焙烧能有效减小所得氧化镁的粒径，增大其比表面积，进而增强其反应活性，其主要原因在于在引入还原性气氛的条件下，碳酸镁热分解产生的二氧化碳会在材料表面原位与h2或co发生反应，大幅度降低碳酸镁分解温度，避免常规方法的烧结现象，使得所生成的氧化镁活性高。在超薄镁铁超稳矿化剂的制备过程中，氧化镁作为固体碱具有较高的碱性，因而在提供镁源的同时还保障了矿化剂合成所需的碱性环境。所选用的乙酸铁或柠檬酸铁中的乙酸根和柠檬酸根均有促使无机纳米材料分散的作用；使得最终的超薄镁铁超稳矿化剂具有较高的比表面积，能够暴露更多的活性位点，有利于对重金属砷的吸附。同时，由于铁元素和镁元素更容易与砷结合，因而能够表现出更为优异的选择性和长效性。

21、(3)本发明提供的制备方法合成方法简便。

22、本发明还提供了上述技术方案所述的超薄镁铁超稳矿化剂在砷污染耕地修复方面的应用。本发明的超薄镁铁超稳矿化剂中的三价铁具有良好的氧化能力，能够将as(iii)氧化为容易去除的as(v)；此外，镁和铁均能和as(v)形成稳定的内壳层化合物，进而降低砷的生物有效性和移动性，实现砷污染物的原位矿化修复。

技术特征：

1.一种超薄镁铁超稳矿化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述还原性气体包括氢气或一氧化碳。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述焙烧的时间为3～6小时。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述铁化合物中铁和氧化镁中镁的物质的量的比为1：4～1：2。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氧化镁和铁化合物分散于去离子水中包括：将所述氧化镁分散于去离子水中，得到氧化镁分散液；将铁化合物分散于去离子水中，得到铁化合物溶液；将所述氧化镁分散液和铁化合物溶液混合；所述氧化镁分散液的浓度为0.1～1.2mol/l；所述铁化合物溶液的浓度为0.025～0.6mol/l。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一反应的温度为30～60℃，时间为1～3小时。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第二反应的温度为110～160℃，时间为2～6小时。

8.根据权利要求1或7所述的制备方法，其特征在于，所述第二反应后，还包括：将所得第二反应料液固液分离，将所得固体进行冷冻干燥。

9.权利要求1～8任一项所述的制备方法制得的超薄镁铁超稳矿化剂，其特征在于，所述超薄镁铁超稳矿化剂呈现出极薄的二维片状结构。

10.权利要求9所述的超薄镁铁超稳矿化剂在砷污染耕地修复方面的应用。

技术总结
本发明属于重金属污染治理技术领域，提供了一种超薄镁铁超稳矿化剂及其制备方法和在砷污染耕地修复方面的应用。本发明的制备方法在还原性气体的条件下，将碳酸镁于400～600℃焙烧，得到氧化镁；将氧化镁和铁化合物(乙酸铁和/或柠檬酸铁)分散于去离子水中，依次进行第一反应和第二反应，得到所述超薄镁铁超稳矿化剂。本发明的乙酸铁或柠檬酸铁中乙酸根或柠檬酸根在高温水热反应中会形成CO<subgt;2</subgt;，而不会产生无机阴离子，因而在反应过程中无含盐废水的产生。所选用的铁化合物均有促使无机纳米材料分散的作用，使得最终的超薄镁铁超稳矿化剂具有较高的比表面积，能够暴露更多的活性位点，有利于对重金属砷的吸附。

技术研发人员：孔祥贵,刘婷婷,郑美琪,邵明飞,段雪
受保护的技术使用者：北京化工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/8