本發(fā)明涉及一種活性炭，尤其涉及了一種改性活性炭的制備方法及其應用。

背景技術：

目前冶煉、電解、醫(yī)藥、油漆、合金和電鍍制造等行業(yè)每年排放大量含有鉻、砷離子的工業(yè)廢水。這些廢水中的鉻、砷及其化合物能在魚類及其他水生生物體內(nèi)富集，通過飲水和食物鏈對人類和周圍生態(tài)環(huán)境造成嚴重危害。因此，如何減少鉻、砷的污染危害，已成為當下一個急需解決的環(huán)境問題。

活性炭作為一種多孔性的非極性吸附劑，因其特殊的孔隙結構具有巨大的比表面積，且來源豐富，價格低廉，是目前水處理中應用最廣的吸附劑之一。它具有良好的吸附性能和穩(wěn)定的化學性質(zhì)，可以耐強酸、強堿，能經(jīng)受水浸、高溫和高壓作用，同時還可以活化再生。

含鐵吸附劑具有良好的吸附陰陽離子的能力，以鐵元素為主要吸附成分的吸附劑的開發(fā)研制和應用已經(jīng)得到了國內(nèi)外的廣泛關注。其中納米鐵(包括零價鐵、氧化鐵和磁鐵礦顆粒等)因其尺度小、表面效應大、吸附能力強等優(yōu)點而在含鉻、砷廢水處理中受到廣泛重視。然而粉末狀的納米鐵顆粒細微，在水中易失活和團聚，難以回收和重復利用。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術中含鐵吸附劑在水中易失活和團聚，難以回收和重復利用的問題，提供了一種納米α-Fe₂O₃改性的活性炭的制備方法及其應用。

為了解決上述技術問題，本發(fā)明通過下述技術方案得以解決：

一種納米α-Fe₂O₃改性的活性炭的制備方法，其包括以下步驟：

步驟a：將活性炭浸泡于稀硝酸中，然后用水和無水乙醇交替清洗，除去表面附著物，曬干、晾干或在60～80℃下烘干備用；

步驟b：以FeCl3·6H2O為前驅體，以無水乙醇為溶劑配成溶液濃度為167～835mol/L的FeCl3溶液，而后加入250～1250mol/L尿素，攪拌混合均勻；

步驟c：將步驟b處理后的溶液轉移至高壓釜中，而后加入步驟a處理后的活性炭，充分攪拌去除溶液中的氣泡；

步驟d：將步驟c中的高壓釜放入鼓風干燥箱中進行水熱處理；

步驟e：將步驟d處理后的活性炭用無水乙醇洗滌，曬干、晾干或在60～80℃下烘干，得到納米α-Fe₂O₃改性的活性炭，通過該方法得到的α-Fe₂O₃改性的活性炭能大大改進普通活性炭對重金屬的吸附能力。

作為優(yōu)選，步驟a中乙醇和水的體積比為1:3～1:1，清洗時間均為0.5-2h。

作為優(yōu)選，步驟a中活性炭顆粒大小為10～20目。

作為優(yōu)選，稀硝酸的濃度為0.1M，浸泡時間為0.5～2h，且每100g活性炭采用1L稀硝酸進行清洗。通過稀硝酸的浸泡可以有效去除活性炭表面的雜質(zhì)，以防止負載納米α-Fe₂O₃改性的活性炭時不均勻。

作為優(yōu)選，步驟b中高壓釜內(nèi)設有聚四氟乙烯內(nèi)襯。聚四氟乙烯不會與溶液發(fā)生反應，因而不會引入雜質(zhì)，通過設置聚四氟乙烯內(nèi)襯可以有效防止溶液不與高壓釜的不銹鋼內(nèi)壁接觸，從而使得高壓釜能夠起到封閉的作用，保持高壓釜內(nèi)部高溫高壓。

作為優(yōu)選，高壓釜的體積為70～200mL。

作為優(yōu)選，步驟d中水熱處理即為通過鼓風干燥箱外部加熱3.5～6.5h，使高壓釜內(nèi)部保持溫度為150～180℃，壓力為1.0～2.0MPa。通過該種外部加熱的方式使高壓釜內(nèi)部空間保持高溫高壓狀態(tài)，這種狀態(tài)下能使納米材料具備不同形貌，這些特殊形貌可以增加材料的比表面積，以此提高材料的吸附能力。

一種濾芯，包括濾芯本體，濾芯本體內(nèi)填充納米α-Fe₂O₃改性的活性炭。

作為優(yōu)選，濾芯本體為熔噴聚丙烯纖維制成。

作為優(yōu)選，濾芯本體呈圓筒形，內(nèi)徑為25～35mm，外徑為60～65mm。

本發(fā)明由于采用了以上技術方案，具有顯著的技術效果：

本發(fā)明通過水熱合成法將α-Fe₂O₃負載于活性炭表面或孔隙，得到納米α-Fe₂O₃改性的活性炭，其不僅可以保持納米材料的固有特性而且可以增強其穩(wěn)定性，能夠高效吸附飲用水中的重金屬鉻和砷。一般活性炭幾乎對重金屬鉻和砷沒有吸附能力，而本發(fā)明300g納米α-Fe₂O₃改性的活性炭，在Cr或As超標10倍的水中，可以保證半個月內(nèi)出水達到國家飲用水安全標準。此外該材料適用于反應器操作，具有反應易于控制、易操作、維護方便等特點，因而其具有非常廣闊的市場應用開發(fā)前景。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例4的結構示意圖。

圖2是本發(fā)明實施例4中第一種測定方法的折線圖。

圖3是本發(fā)明實施例4中第二種測定方法的折線圖。

圖4是本發(fā)明實施例4中第三種測定方法的折線圖。

圖5是本發(fā)明實施例4中第四種測定方法的折線圖。

圖6是本發(fā)明實施例4中第五種測定方法的折線圖。

附圖中各數(shù)字標號所指代的部位名稱如下：1—濾芯本體、2—納米α-Fe₂O₃改性的活性炭。

具體實施方式

下面結合附圖與實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述。

實施例1

一種納米α-Fe₂O₃改性的活性炭的制備方法，其包括以下步驟：

步驟a：取10g且目數(shù)為10目的活性炭顆粒浸泡于濃度為0.1M容量為100mL稀硝酸中，浸泡時間為2h，然后用水和無水乙醇交替清洗，乙醇和水的體積比為1:3～1:1，清洗時間均為0.5h。除去表面附著物，在80℃下烘干備用；

步驟b：以FeCl₃·6H₂O為前驅體，以無水乙醇為溶劑配成溶液濃度為167mol/L的FeCl₃溶液，而后加入250mol/L尿素，攪拌混合均勻；

步驟c：將步驟b處理后的溶液轉移至高壓釜中，本實施例中高壓釜體積為70mL且其內(nèi)設有聚四氟乙烯內(nèi)襯，而后加入步驟a處理后的活性炭，充分攪拌去除溶液中的氣泡；

步驟d：將步驟c中的高壓釜放入鼓風干燥箱中進行水熱處理，通過鼓風干燥箱外部加熱3.5～6.5h，使高壓釜內(nèi)部保持溫度為150～180℃，壓力為1.0MPa。通過該種外部加熱的方式使高壓釜內(nèi)部空間保持高溫高壓狀態(tài)，這種狀態(tài)下能使納米材料具備不同形貌。。

步驟e：將步驟d處理后的活性炭用無水乙醇洗滌，在60℃下烘干，即可得到納米α-Fe₂O₃改性的活性炭。

實施例2

一種納米α-Fe₂O₃改性的活性炭的制備方法，其包括以下步驟：

步驟a：取10g且目數(shù)為10目的活性炭顆粒浸泡于濃度為0.1M、容量為100mL稀硝酸中，浸泡時間為0.5h，然后用水和無水乙醇交替清洗，乙醇和水的體積比為1:3～1:1，清洗時間均為2h，然后除去表面附著物，曬干備用；

步驟b：以FeCl₃·6H₂O為前驅體，以無水乙醇為溶劑配成溶液濃度為500mol/L的FeCl₃溶液，而后加入800mol/L尿素，攪拌混合均勻；

步驟c：將步驟b處理后的溶液轉移至高壓釜中，本實施例中高壓釜體積為135mL且其內(nèi)設有聚四氟乙烯內(nèi)襯，而后加入步驟a處理后的活性炭，充分攪拌去除溶液中的氣泡；

步驟d：將步驟c中的高壓釜放入鼓風干燥箱中進行水熱處理，通過鼓風干燥箱外部加熱3.5～6.5h，使高壓釜內(nèi)部保持溫度為150～180℃，壓力為2.0MPa。通過該種外部加熱的方式使高壓釜內(nèi)部空間保持高溫高壓狀態(tài)，這種狀態(tài)下能使納米材料具備不同形貌。

步驟e：將步驟d處理后的活性炭用無水乙醇洗滌，在80℃下烘干，即可得到納米α-Fe₂O₃改性的活性炭。

實施例3

同實施例1或2，所不同的是步驟b中以FeCl₃·6H₂O為前驅體，以無水乙醇為溶劑配成溶液濃度為835mol/L的FeCl₃溶液，而后加入1250mol/L尿素，攪拌混合均勻；步驟c中高壓釜體積為200mL。

實施例4

一種濾芯，如圖1所示，包括濾芯本體1，濾芯本體1內(nèi)填充有由實施例1或實施例2或實施例3所制得的納米α-Fe₂O₃改性的活性炭2，其濾芯本體1呈圓筒形，采用熔噴聚丙烯纖維制成。

本實施例中采用納米α-Fe₂O₃改性的活性炭2吸附處理飲用水中重金屬，將含重金屬的水進過填充有納米α-Fe₂O₃改性的活性炭2的濾芯內(nèi)，然后分別取原水和出水檢測其前后重金屬濃度的變化情況，具體測定方法分為如下幾種：

第一種：分別配制含重金屬鉻和砷且濃度均為10mg/L的原水，調(diào)節(jié)初始pH為7，并經(jīng)電磁流量計調(diào)節(jié)流速，使得進水流速為100mL/min，從濾芯本體1的外部壓入，經(jīng)過納米α-Fe₂O₃改性的活性炭后出水，分別取原水和出水檢測其前后重金屬濃度的變化情況，結果見附圖2

第二種：配制含重金屬鉻濃度為10mg/L的原水，分別調(diào)節(jié)pH值為4和10，并經(jīng)電磁流量計調(diào)節(jié)流速，使得進水流速為100mL/min，從濾芯本體1的外部壓入，經(jīng)過納米α-Fe₂O₃改性的活性炭后出水，分別取原水和出水檢測其前后重金屬濃度的變化情況，結果見圖3。

第三種：配置含重金屬砷濃度為10mg/L的原水，分別調(diào)節(jié)pH值為4和10，并經(jīng)電磁流量計調(diào)節(jié)流速，使得進水流速為100mL/min，從濾芯本體1的外部壓入，經(jīng)過納米α-Fe₂O₃改性的活性炭后出水，分別取原水和出水檢測其前后重金屬濃度的變化情況，結果見圖4。

第四種：配制含重金屬鉻濃度為10mg/L的原水，調(diào)節(jié)初始pH為7，并經(jīng)電磁流量計調(diào)節(jié)流速，調(diào)節(jié)進水流速分別為1000mL/min和2000mL/min，從濾芯本體(1)的外部壓入，經(jīng)過納米α-Fe₂O₃改性的活性炭后出水，分別取原水和出水檢測其前后重金屬濃度的變化情況，結果見圖5。

第五種：配制含重金屬砷濃度為10mg/L的原水，調(diào)節(jié)初始pH為7，并經(jīng)電磁流量計調(diào)節(jié)流速，調(diào)節(jié)進水流速分別為1000mL/min和2000mL/min，從濾芯本體(1)的外部壓入，經(jīng)過納米α-Fe₂O₃改性的活性炭后出水，分別取原水和出水檢測其前后重金屬濃度的變化情況，結果見圖6。

在實際應用過程中，流速往往是限制材料應用的一個重要因素，而綜上可知，納米α-Fe₂O₃改性的活性炭對重金屬鉻、砷的吸附能力不會隨流速變化而發(fā)生顯著變化，因此在設計凈水裝置時是不需要考慮流速，此材料有極強的實際應用空間。另外，此材料制備及應用操作簡單，極易工業(yè)化，所以在飲用水去除重金屬領域具有廣闊的應用前景。

總之，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，凡依本發(fā)明申請專利范圍所作的均等變化與修飾，皆應屬本發(fā)明專利的涵蓋范圍。