一种硫改性的磁铁矿负载生物炭材料及其制备方法与应用

本发明属于环境修复材料，尤其涉及一种硫改性的磁铁矿负载生物炭材料及其制备方法与应用。

背景技术：

1、随着工农业的快速发展和人类日益提高的物质需求，水污染问题已经从单一污染演变成重金属和有机物复合污染。由于畜牧业和养殖业废弃物的排放，四环素类抗生素与砷在水体中同时检出。相关研究表明四环素的存在会降低砷在溶液中的稳定性，而砷的存在也会影响四环素的去除，二者间的相互作用会影响复合污染物的去除效率。因此迫切需要开发绿色高效的复合污染水体修复技术。

2、在传统的水处理技术中，吸附法是一种简单且高效的方法之一。近年来，生物炭由于具有比表面积大、孔隙结构发达、含氧官能团丰富等特点，已经被广泛地用于重金属和抗生素的吸附材料。然而，原始生物炭的吸附容量有限，且难以从水体中回收利用，因此限制了其实际应用潜力。同时复合污染物容易竞争生物炭的活性位点，从而降低水处理效率。近年来，铁改性生物炭能够有效提高生物炭的比表面积和含氧官能团，但负载的铁纳米颗粒也可能会占据原始生物炭的反应位点并堵塞多孔结构。为解决上述问题，非金属改性策略被用于进一步调控生物炭表面性质并引入丰富的官能团。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种硫改性的磁铁矿负载生物炭材料及其制备方法与应用。本发明通过简单的合成方法，所制备的材料具有fe3o4纳米颗粒与磺酸基双重活性位点，表现出高稳定性及同时去除四环素和砷的能力。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、一、一种硫改性的磁铁矿负载生物炭材料

4、生物炭前驱体为水稻壳生物质，产地浙江杭州。磁铁矿主要成分为fe3o4，材料主要由生物炭、fe3o4和含硫基团组成。

5、fe3o4纳米颗粒大小约为20nm，含硫基团主要成分为磺酸基。

6、二、一种硫改性磁铁矿负载生物炭材料的制备方法

7、包括以下步骤：

8、步骤1)将水稻壳生物质原料用去离子水淋洗以去除残留的矿物质，然后烘干水分经高速粉碎机粉碎后过筛备用。取一定量的生物质置于陶瓷坩埚内，放入程序升温的马弗炉内限氧裂解，冷却后取出，用去离子水洗涤多次后干燥获得生物炭；

9、步骤2)二价铁盐与三价铁盐超声溶解后与步骤1)所得的生物炭均匀混合，经过水浴加热后调节ph直到形成沉淀，所获得的固体产物用去离子水洗涤至中性后干燥；

10、步骤3)将步骤2)所得干燥产物溶解于氢氧化钠和四氨基苯磺酸中并持续搅拌加热，待酸碱反应结束后，依次加入亚硝酸钠和盐酸溶液直到接枝反应完成。将剩余产物洗涤至中性后干燥，得到硫改性的磁铁矿负载生物炭材料。

11、所述步骤1)中：升温速率为15℃min-1；反应温度为700℃；干燥温度为60～80℃；干燥时间为24h；筛网尺寸为0.15mm。

12、所述步骤2)中：所述二价铁盐和三价铁盐为feso4·7h2o和fecl3，二者摩尔比为1:2；水浴温度为70℃；反应时间为1h；形成沉淀时的ph为10～11；反应后用去离子水洗涤三次及以上，干燥温度为80℃。

13、所述步骤3)中：氢氧化钠与四氨基苯磺酸的质量比为1:8.3；反应温度为70℃；所加入亚硝酸钠的质量为1.59g；盐酸浓度为4mol/l；干燥温度为80℃；干燥时间为12h；剩余产物进行洗涤的介质为去离子水和丙酮，洗涤次数至少三次。

14、三、硫改性的磁铁矿负载生物炭材料的应用

15、硫改性的磁铁矿负载生物炭材料应用于复合污染废水处理；硫改性的磁铁矿负载生物炭材料同时去除四环素和三价砷。

16、本发明技术方案的关键在于将金属纳米颗粒fe3o4与非金属硫同时改性生物炭，fe3o4提高了生物炭的比表面积，硫改性引入了更丰富的官能团。这种基于金属和非金属双功能改性策略为生物炭提供更多的活性位点，同时也增强了生物炭的稳定性和反应活性。

17、本发明的有益效果：

18、(1)本发明所提供的硫改性的磁铁矿负载生物炭材料同时实现生物炭双功能改性目的，既提高了生物炭的比表面积和磁性，又引入具有氧化性的磺酸基官能团，有效促进对四环素和砷的去除。

19、(2)本发明所提供的硫改性的磁铁矿负载生物炭材料制备方法简单，环境友好，可大规模合成。

20、(3)本发明所提供的硫改性的磁铁矿负载生物炭材料在短时间内通过两步过程即可实现对四环素和砷的同时去除，且最大限度降低四环素和砷的相互影响，为在水体复合污染修复领域的应用奠定基础。

技术特征：

1.一种硫改性的磁铁矿负载生物炭材料，其特征在于：通过磁铁矿和含硫基团改性生物炭得到硫改性的磁铁矿负载生物炭材料；所述磁铁矿包括fe3o4纳米颗粒，大小为20nm；所述含硫基团包括磺酸基；所述生物炭前驱体为水稻壳生物质。

2.权利要求1所述的硫改性的磁铁矿负载生物炭材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中：

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中：

5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中：

6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中：

7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中：

8.权利要求1所述的硫改性的磁铁矿负载生物炭材料的应用，其特征在于：

技术总结
本发明公开了一种硫改性的磁铁矿负载生物炭材料及其制备方法与应用。本发明以水稻壳为生物质材料，首先通过限氧裂解得到原始生物炭，而后将二价铁盐与三价铁盐超声溶解后与生物炭均匀混合，再经过水浴加热后调节pH直到形成沉淀，产生的固体产物经过水洗干燥后进一步硫化，得到硫改性的磁铁矿负载生物炭材料。制备的硫改性的磁铁矿负载生物炭材料具有均匀的磁铁矿纳米颗粒及磺酸基团反应位点，表现出优良的四环素与三价砷去除性能，可应用于复合污染废水处理。

技术研发人员：赵震东,周文军
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13