一種用褐鐵礦制備Fe/C復(fù)合多孔結(jié)構(gòu)材料的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用褐鐵礦制備Fe/C復(fù)合多孔結(jié)構(gòu)材料的方法，其特征在于：Fe/C復(fù)合多孔結(jié)構(gòu)材料是以褐鐵礦和生物質(zhì)粉體為原料，經(jīng)混合、成型后，再在還原氣氛下熱解和還原反應(yīng)得到，其主要物相為生物質(zhì)炭和零價(jià)鐵。本發(fā)明的Fe/C復(fù)合多孔結(jié)構(gòu)材料具有高開放孔隙率、高磁化率、高吸附性和高生物化學(xué)活性，是具有生物活性和吸附性能的廉價(jià)生物載體材料，在微污染水凈化中的應(yīng)用具有很大前景，特別適合用于富營(yíng)養(yǎng)化水體同步脫氮處理中。
【專利說(shuō)明】
一種用褐鐵礦制備Fe/C復(fù)合多孔結(jié)構(gòu)材料的方法
一、技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及褐鐵礦礦石和生物質(zhì)的資源化利用，屬于礦物加工、生物質(zhì)利用和環(huán)境工程材料領(lǐng)域。
二、【背景技術(shù)】
[0002]我國(guó)褐鐵礦型鐵礦石資源豐富、分布廣泛，遠(yuǎn)景儲(chǔ)量達(dá)百億噸。不同地區(qū)的褐鐵礦礦石雖然成分有很大的差別，但共同的特點(diǎn)是:脈石礦物含量高、種類多、組成復(fù)雜、顆粒細(xì)小，主要包括伊利石、伊蒙混層礦物、石英、方解石、白云石、玉髓等;鐵的主要礦物針鐵礦顆粒細(xì)小、無(wú)磁性，大多數(shù)礦物粒徑都在亞微米甚至納米尺度，導(dǎo)致選礦加工困難，至今該類鐵礦沒(méi)有得到合理利用。如何利用好該類礦產(chǎn)資源是迫切需要研究解決的問(wèn)題。
[0003]我國(guó)每年生產(chǎn)各種秸桿大約10億噸，農(nóng)林產(chǎn)品及以生物質(zhì)為原料的工業(yè)企業(yè)也產(chǎn)生數(shù)以億噸計(jì)的加工殘余物。隨著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生活水平提高，導(dǎo)致秸桿在全國(guó)范圍內(nèi)大量過(guò)剩。每到收獲季節(jié)，秸桿焚燒造成了嚴(yán)重的大氣污染，同時(shí)也存在嚴(yán)重的火災(zāi)隱患和航空飛行安全問(wèn)題。對(duì)秸桿等農(nóng)產(chǎn)品廢棄物進(jìn)行資源化利用已經(jīng)成為全國(guó)各地政府環(huán)境綜合治理的當(dāng)務(wù)之急。生物質(zhì)能源化利用有如下幾種途徑;熱解氣化、熱解液化、直接燃燒、成型燃燒、成型碳化等。熱解氣化目前遇到熱解氣中焦油凈化的難題;熱解液化存在制得的液體燃料熱值低、成分復(fù)雜的問(wèn)題;直接燃燒存在鍋爐積碳的問(wèn)題。目前成型燃燒和成型碳化受到廣泛關(guān)注。
三、
【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的問(wèn)題，提供一種用褐鐵礦制備Fe/C復(fù)合多孔結(jié)構(gòu)材料的方法，旨在同時(shí)實(shí)現(xiàn)褐鐵礦和生物質(zhì)的再利用。
[0005]本發(fā)明解決技術(shù)問(wèn)題，采用如下技術(shù)方案:
[0006]本發(fā)明用褐鐵礦制備Fe/C復(fù)合多孔結(jié)構(gòu)材料，其特點(diǎn)在于:將褐鐵礦粉體和生物質(zhì)粉體按照質(zhì)量比1:0.5?15混合造粒，然后在還原氣氛下經(jīng)650?900°C熱解和還原焙燒15?60min，再在無(wú)氧氣氛下自然冷卻至室溫，即獲得以生物質(zhì)炭和零價(jià)鐵為主要物相的Fe/C復(fù)合多孔結(jié)構(gòu)材料。
[0007]其中，所述的褐鐵礦主要礦物組成為:針鐵礦、赤鐵礦、磁鐵礦、黏土礦物和石英，鐵的品位在30-55%;
[0008]所述生物質(zhì)為:各種農(nóng)作物秸桿，木材加工廢棄物鋸末、刨花，庭院和綠化修整的枯枝樹葉，或農(nóng)產(chǎn)品加工產(chǎn)生的固體殘?jiān)?br>[0009]本發(fā)明用褐鐵礦和生物質(zhì)制備Fe/C復(fù)合多孔結(jié)構(gòu)材料，具體是按如下步驟進(jìn)行:
[0010](I)將褐鐵礦礦石破碎、篩分，獲得粒徑不大于0.1mm的褐鐵礦粉體;將生物質(zhì)破碎成粒徑不大于5_的生物質(zhì)粉體；
[0011 ] (2)將褐鐵礦粉體和生物質(zhì)粉體按照質(zhì)量比1: 0.5?1:15混合均勻，獲得混合料；
[0012](3)用成型機(jī)將所述混合物料成型為直徑4-12_的棒狀顆粒物；
[0013](4)將所述棒狀顆粒物在還原氣氛下于650?900 °C熱解和還原焙燒15?60min，再在無(wú)氧氣氛下自然冷卻至室溫，即獲得以生物質(zhì)炭和零價(jià)鐵為主要物相的Fe/C復(fù)合多孔結(jié)構(gòu)材料。
[0014]上述還原氣氛為含有氫氣或一氧化碳的氣氛。
[0015]本發(fā)明用褐鐵礦和生物質(zhì)制備Fe/C復(fù)合多孔結(jié)構(gòu)材料，其有益效果體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
[0016]1、褐鐵礦和生物質(zhì)粉體混合物擠出成型，生物質(zhì)在擠出成型的胚料中具有粘結(jié)作用，使成型胚料具有較高的顆粒強(qiáng)度，無(wú)需添加粘結(jié)劑;在還原氣氛下650?900°C熱解和還原反應(yīng)過(guò)程中，褐鐵礦礦石中作為雜質(zhì)組分的粘土礦物等與生物質(zhì)中的鉀鈉化學(xué)反應(yīng)，具有增強(qiáng)燒結(jié)、提高顆粒強(qiáng)度的作用。
[0017]2、在還原氣氛下生物質(zhì)的熱解氣化，一方面可以提高材料的孔隙率和比表面積，獲得多孔結(jié)構(gòu)的材料，另一方面熱解還原氣體H2、C0、揮發(fā)性有機(jī)物與沉積鐵礦石中鐵反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榱銉r(jià)鐵。生物質(zhì)既是材料的致孔劑，又是鐵的還原劑，還是形成生物炭的前驅(qū)體。
[0018]3、選擇褐鐵礦礦石，既利用了低品位鐵礦資源，又利用了褐鐵礦礦石資源的礦物學(xué)特性。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，褐鐵礦中的主要礦物針鐵礦屬于納米針狀晶體，具有較高的還原反應(yīng)活性，還原產(chǎn)物零價(jià)鐵也具有較低的結(jié)晶度和較高的反應(yīng)活性。
[0019]4、褐鐵礦中的化學(xué)氧不僅具有增強(qiáng)生物質(zhì)熱解氣化的作用，還具有催化生物質(zhì)熱解氣化過(guò)程中焦油裂解的作用，可以消除熱解氣體中的焦油。
[0020]5、褐鐵礦粉體與生物質(zhì)粉體混合物經(jīng)過(guò)擠出成型、還原氣氛下熱解反應(yīng)，不僅鐵礦物還原形成的零價(jià)鐵與生物碳化形成的生物炭緊密復(fù)合，而且材料具有特定的粒徑、開放的大孔空隙、孔隙體積大、強(qiáng)磁性、高比表面積、良好的吸附性和化學(xué)反應(yīng)活性。
[0021]6、褐鐵礦粉體與生物質(zhì)粉體的混合物經(jīng)過(guò)擠出成型、還原氣氛下熱解反應(yīng)，不僅赤鐵礦還原形成的零價(jià)鐵與生物質(zhì)碳化形成的生物炭緊密復(fù)合，而且材料具有特定的粒徑、開放的大孔空隙，且孔隙體積大、磁性強(qiáng)、比表面積高、吸附性和化學(xué)反應(yīng)活性好，在微污染水凈化中的應(yīng)用具有很大前景，特別適合富營(yíng)養(yǎng)化水體同步脫氮處理中應(yīng)用。
四、【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1為實(shí)施例1所制備的Fe/C復(fù)合多孔結(jié)構(gòu)材料的粉末X射線衍射圖譜，顯示其中主要物相為單質(zhì)鐵；
[0023]圖2和圖3為實(shí)施例1所制備的Fe/C復(fù)合多孔結(jié)構(gòu)材料SEM圖像，其中圖2可以看出生物質(zhì)碳化形成的孔結(jié)構(gòu)特征，圖3可以看出褐鐵礦相變形成納米鐵的形貌特征。
五、【具體實(shí)施方式】
[0024]實(shí)施例1
[0025]本實(shí)施例按如下步驟制備Fe/C復(fù)合多孔結(jié)構(gòu)材料:
[0026](I)選擇鐵品位48.9 %的褐鐵礦礦石樣品，將其破碎、過(guò)0.1mm篩，獲得褐鐵礦粉體;將油菜秸桿破碎、過(guò)Imm篩，獲得秸桿粉體；
[0027](2)按照質(zhì)量比1:3稱取褐鐵礦粉體和秸桿粉體并拌合均勻，獲得混合料；
[0028](3)把上述混合料加入螺桿擠出成型機(jī)料斗內(nèi)，擠出成型為直徑5mm的棒狀顆粒物；
[0029](4)將成型的棒狀顆粒物在管式爐中氫氣氣氛下于750°C焙燒25min，然后在無(wú)氧氣氛下自然冷卻至室溫，即獲得以生物質(zhì)炭和零價(jià)鐵為主要物相的Fe/C復(fù)合多孔結(jié)構(gòu)材料。
[0030]圖1為本實(shí)施例所制備的Fe/C復(fù)合多孔結(jié)構(gòu)材料粉末的X射線衍射圖譜，表明原始樣品中的雜質(zhì)石英保持不變，鐵氧化物被生物質(zhì)還原為單質(zhì)鐵。產(chǎn)物中單質(zhì)鐵含量為57%，生物炭的含量為16%。
[0031 ]圖2、圖3為本實(shí)施例所制備Fe/C復(fù)合多孔結(jié)構(gòu)材料SEM圖像，圖2可以看出生物質(zhì)炭化形成的孔結(jié)構(gòu)特征，圖3可以看出褐鐵礦相變形成納米鐵的形貌特征。
[0032]實(shí)施例2
[0033]本實(shí)施例按如下步驟制備Fe/C復(fù)合多孔結(jié)構(gòu)材料:
[0034](I)選擇鐵品位40.31%的褐鐵礦礦石樣品，將其破碎、過(guò)0.1mm篩，獲得褐鐵礦粉體;將油菜秸桿破碎、過(guò)Imm篩，獲得秸桿粉體；
[0035](2)按照質(zhì)量比1:5稱取褐鐵礦粉體和秸桿粉體并拌合均勻，獲得混合料；
[0036](3)把上述混合料加入螺桿擠出成型機(jī)料斗內(nèi)，擠出成型為直徑5mm的棒狀顆粒物；
[0037](4)將成型的棒狀顆粒物在管式爐中氫氣氣氛下于650°C焙燒30min，然后在無(wú)氧氣氛下自然冷卻至室溫，即獲得以生物質(zhì)炭和零價(jià)鐵為主要物相的Fe/C復(fù)合多孔結(jié)構(gòu)材料。
[0038]經(jīng)XRD分析，結(jié)果表明原始樣品中的雜質(zhì)石英保持不變，其中的鐵氧化物被生物質(zhì)還原為單質(zhì)鐵。產(chǎn)物中單質(zhì)鐵含量為33%，生物炭的含量為28%。產(chǎn)物磁化率為11250S1、比表面積為73.4m2/g。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用褐鐵礦制備Fe/c復(fù)合多孔結(jié)構(gòu)材料的方法，其特征在于: 將褐鐵礦粉體和生物質(zhì)粉體按照質(zhì)量比1:0.5?15混合造粒，然后在還原氣氛下經(jīng)650?900°C熱解和還原焙燒15?60min，再在無(wú)氧氣氛下自然冷卻至室溫，即獲得以生物質(zhì)炭和零價(jià)鐵為主要物相的Fe/C復(fù)合多孔結(jié)構(gòu)材料。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于: 所述生物質(zhì)為:農(nóng)作物秸桿，木材加工廢棄物鋸末、刨花，庭院和綠化修整的枯枝樹葉，或農(nóng)產(chǎn)品加工產(chǎn)生的固體殘?jiān)?.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:所述褐鐵礦中鐵的品位在30-55%。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，具體是按如下步驟進(jìn)行: (1)將褐鐵礦礦石破碎、篩分，獲得粒徑不大于0.1mm的褐鐵礦粉體;將生物質(zhì)破碎成粒徑不大于5_的生物質(zhì)粉體； (2)將褐鐵礦粉體和生物質(zhì)粉體按照質(zhì)量比1:0.5?15混合均勻，獲得混合料； (3)用成型機(jī)把所述混合料成型為直徑4-12mm的棒狀顆粒物； (4)將所述棒狀顆粒物在還原氣氛下于650?900°C熱解和還原焙燒15?60min，再在無(wú)氧氣氛下自然冷卻至室溫，即獲得以生物質(zhì)炭和零價(jià)鐵為主要物相的Fe/C復(fù)合多孔結(jié)構(gòu)材料。5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的方法，其特征在于:所述還原氣氛為含有氫氣或一氧化碳的氣氛。
【文檔編號(hào)】B01J20/28GK105833850SQ201610326862
【公開日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年5月13日
【發(fā)明人】鄒雪華, 陳天虎, 劉海波
【申請(qǐng)人】合肥工業(yè)大學(xué)