一种钢渣全组分利用并构建纳米功能材料的方法，属于固废再利用领域。基于钢渣结构对钢渣组分进行“分流”和“重组”，制备纳米功能材料用于污水净化。通过利用酸性较弱的有机酸萃取富含钙的液固相分别制备出水化硅酸钙和羟基磷灰石两种吸附剂，其次利用富含Mg2+、Al3+和Fe3+金属离子的滤液制备出硫化铁负载的层状双氢氧化物，从而实现了钢渣全组分利用，使废渣量降到了最低。本工作提出了一种简便、流行、环保的策略，充分规避了钢渣成分复杂的劣势，为拓宽钢渣在构建新型纳米功能材料中的应用奠定了基础。
1.一种钢渣全组分利用并构建纳米功能材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将钢渣放于水杨酸‑甲醇溶液中超声分散均匀，然后在水浴条件下磁力搅拌，然后固液分离，此时液体为水杨酸钙溶液，固体为表面富含Fe、Mg和Al元素的滤渣；
(2)步骤(1)中固液分离后的液体加入到硅酸钠和氢氧化钠的混合溶液，采用水热或者水浴方法合成无定形水化硅酸钙(CSH)吸附剂；
(3)步骤(1)中固液分离后的固体被分散到草酸溶液，水浴溶解其中的可溶金属离子，
然后进行固液分离，此时液体中富含可溶性金属离子Mg 、Al 和Fe ，固体是水草酸钙石沉淀；
(4)步骤(3)中固液分离后的固体加入到十二水合磷酸三钠溶液，采用水热方法合成羟基磷灰石(Hap)吸附剂；
(5)将六水合硝酸镁和九水合硝酸铝溶解于步骤(3)中固液分离后的液体中，加入氢氧化钠，保持pH10‑12，然后再依次逐滴加入碳酸钠和硫代乙酰胺溶液，采用水热的方法合成硫化铁负载的层状双氢氧化物(FeS‑LDH‑CO3)复合材料。
2.按照权利要求1所述的一种钢渣全组分利用并构建纳米功能材料的方法，其特征在于，步骤(1)中水杨酸‑甲醇溶液中水杨酸的浓度为80‑120g/L，每15g钢渣对应120‑180mL水杨酸‑甲醇溶液；水浴的温度为25‑35℃，保温时间为12‑24h。
3.按照权利要求1所述的一种钢渣全组分利用并构建纳米功能材料的方法，其特征在于，步骤(2)中硅酸钠和氢氧化钠的混合溶液中硅酸钠的浓度为3‑4mol/L,氢氧化钠浓度为
0.2‑0.6mol/L，每6mL步骤(1)中固液分离后的液体对应4‑8mL硅酸钠和氢氧化钠的混合溶液，水热或者水浴方法的温度为60‑80℃，保温时间为16‑24h。
4.按照权利要求1所述的一种钢渣全组分利用并构建纳米功能材料的方法，其特征在于，步骤(3)中草酸溶液的浓度为0.19‑0.21mol/L,每2.5g步骤(1)得到的滤渣对应180‑
220mL草酸溶液，水浴温度为80‑90℃，保温时间为2‑6h。
5.按照权利要求1所述的一种钢渣全组分利用并构建纳米功能材料的方法，其特征在于，步骤(4)中十二水合磷酸三钠溶液的浓度为1.9‑4.5mol/L,每0.2g步骤(3)中固液分离后的固体对应20‑40mL十二水合磷酸三钠溶液；水热方法的温度为140‑180℃，保温时间为
6.按照权利要求1所述的一种钢渣全组分利用并构建纳米功能材料的方法，其特征在于，步骤(5)将六水合硝酸镁和九水合硝酸铝溶解于步骤(3)中固液分离后的液体中，加入氢氧化钠保持pH10‑12，然后再依次逐滴加入碳酸钠和硫代乙酰胺溶液，其中每30‑50mL步骤(3)固液分离后的液体对应3‑4g六水合硝酸镁、2‑3g九水合硝酸铝、浓度为0.2‑0.4mol/L碳酸钠5‑10mL、浓度为0.134‑0.67mol/L硫代乙酰胺10‑15mL，采用水热的方法合成硫化铁负载的层状双氢氧化物(FeS‑LDH‑CO3)复合材料,水热方法的温度为180‑200℃，保温时间为12‑24h；最终得到绿色的层状双氢氧化物，其中绿色为硫化铁的颜色。
一种钢渣全组分利用并构建纳米功能材料的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种钢渣全组分利用构建纳米功能材料的方法，属于功能材料应用领域。技术背景
[0002] 近年来，人们积极鼓励利用低成本、易获取和储量大的原始材料，特别是具有巨大应用潜力的工业固废材料，来开发和构建新型功能纳米材料。钢渣是炼钢过程中产生的副产品，是一种以Fe、Mg、Al和Ca元素为主要成分的非均质废弃物，因此具有巨大的应用潜力制备出性能优异的纳米功能复合材料。尽管钢渣的利用优势明显，但由于其复杂的成分特征，要充分利用其所有成分尽量减少资源浪费确实是非常困难的，因此钢渣的高效利用受到很大的限制，从而造成巨大资源浪费。这些都启发我们去研发出以钢渣为原始材料的新颖策略和纳米功能材料，提高钢渣的潜在利用价值。本发明针对钢渣的结构和组分演化进行了研究，提出了将钢渣转化为具有优异性能的吸附剂和催化剂的策略，实现钢渣的高效利用。
发明内容
[0003] 本发明的目的是提供一种钢渣全组分利用构建纳米功能材料的方法，可大大降低钢渣资源的浪费，并推动工业固废利用的发展，有望在实际工业中加以应用。
[0004] 本发明的目的通过以下技术方案予以实现：
[0005] 本发明所用的原料为炼钢厂尾渣，该尾渣过筛(0.45μm)处理即可使用。
[0006] 本发明提供一种钢渣全组分利用并构建纳米功能材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0007] (1)将钢渣放于水杨酸‑甲醇溶液中超声分散均匀，然后在水浴条件下磁力搅拌，然后固液分离，此时液体为水杨酸钙溶液，固体为表面富含Fe、Mg和Al元素的滤渣；其中优选水杨酸‑甲醇溶液中水杨酸的浓度为80‑120g/L，每15g钢渣对应120‑180mL水杨酸‑甲醇溶液；水浴的温度为25‑35℃，保温时间为12‑24h；
[0008] (2)步骤(1)中固液分离后的液体加入到硅酸钠和氢氧化钠的混合溶液，采用水热或者水浴方法合成无定形水化硅酸钙(CSH)吸附剂；其中硅酸钠和氢氧化钠的混合溶液中硅酸钠的浓度为3‑4mol/L,氢氧化钠浓度为0.2‑0.6mol/L，每6mL步骤(1)中固液分离后的液体对应4‑8mL硅酸钠和氢氧化钠的混合溶液，水热或者水浴方法的温度为60‑80℃，保温时间为16‑24h；
[0009] (3)步骤(1)中固液分离后的固体被分散到草酸溶液，水浴溶解其中的可溶金属离2+ 3+ 3+
子，然后进行固液分离，此时液体中富含可溶性金属离子Mg 、Al 和Fe ，固体是水草酸钙石沉淀；其中草酸溶液的浓度为0.19‑0.21mol/L,每2.5g步骤(1)得到的滤渣对应180‑
220mL草酸溶液，水浴温度为80‑90℃，保温时间为2‑6h；
[0010] (4)步骤(3)中固液分离后的固体加入到十二水合磷酸三钠溶液，采用水热方法合成羟基磷灰石(Hap)吸附剂；其中十二水合磷酸三钠溶液的浓度为1.9‑4.5mol/L,每0.2g步骤(3)中固液分离后的固体对应20‑40mL十二水合磷酸三钠溶液；水热方法的温度为140‑180℃，保温时间为2‑6h；
[0011] (5)将六水合硝酸镁和九水合硝酸铝溶解于步骤(3)中固液分离后的液体中，加入氢氧化钠保持pH10‑12，然后再依次逐滴加入碳酸钠和硫代乙酰胺溶液，其中每30‑50mL步骤(3)固液分离后的液体对应3‑4g六水合硝酸镁、2‑3g九水合硝酸铝、浓度为0.2‑0.4mol/L碳酸钠5‑10mL、浓度为0.134‑0.67mol/L硫代乙酰胺10‑15mL，采用水热的方法合成硫化铁负载的层状双氢氧化物(FeS‑LDH‑CO3)复合材料,水热方法的温度为180‑200℃，保温时间为12‑24h；最终得到绿色的层状双氢氧化物，其中绿色为硫化铁的颜色。
[0012] 本发明的有益效果是：本发明所得到的纳米功能材料对环境中重金属离子均具有较好的移除性能，且本发明的制备方法所得的产品可重复性好，操作简单，成本低。在固废钢渣全利用以及环境污染治理领域具有较好的应用前景。
附图说明
[0013] 图1：实施例1得到的硫化铁负载的层状双氢氧化物(FeS‑LDH‑CO3)复合材料粉体的X射线衍射图；
[0014] 图2：实施例1得到的硫化铁负载的层状双氢氧化物(FeS‑LDH‑CO3)复合材料粉体的透射电子显微镜图；
[0015] 图3：实施例2得到的硫化铁负载的层状双氢氧化物(FeS‑LDH‑CO3)复合材料粉体的X射线衍射图；
[0016] 图4：实施例3得到的硫化铁负载的层状双氢氧化物(FeS‑LDH‑CO3)复合材料粉体的X射线衍射图。
[0017] 图5：实施例3得到的硫化铁负载的层状双氢氧化物(FeS‑LDH‑CO3)复合材料粉体的拉曼光谱。
具体实施方式
[0018] 下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
[0019] 实施例1
[0020] 1、15g钢渣分散到150mL，100g/L的水杨酸‑甲醇溶液中，超声分散后，将悬浮液转移到30℃水浴中，在磁力搅拌(300rpm)下保温18h，然后固液分离分别得到滤渣和滤液，备用。
[0021] 2、在聚四氟乙烯内衬中首先将0.9g九水合硅酸钠溶于6mL,0.4mol/L氢氧化钠溶液中，磁力搅拌20min，然后逐滴加入步骤(1)得到的滤液6mL，再次搅拌20min，随炉升温至80℃，保温16.5h。粉末合成后经蒸馏水乙醇洗净，置于烘箱中60℃干燥过夜，随即得到无定形水化硅酸钙(CSH)吸附剂。
[0022] 3、2.5g步骤(1)得到的滤渣分散到200mL，125g/L的草酸溶液中，超声分散后，将悬浮液转移到90℃水浴中，在磁力搅拌(300rpm)下保温2h，然后固液分离分别得到滤渣和滤液，备用。
[0023] 4、在聚四氟乙烯内衬中首先将0.6g十二水合磷酸钠溶解于30mL水溶液中，连续搅拌20min，然后加入步骤(3)中收集到的滤渣0.2g，超声分散均匀，再次搅拌20min，随炉升温至160℃，保温6h。粉末合成后经蒸馏水乙醇洗净，置于烘箱中60℃干燥过夜，随即得到羟基磷灰石(Hydroxyapatite)吸附剂。
[0024] 5、在聚四氟乙烯内衬中首先加入40mL步骤(3)得到的滤液，然后分别加入3.7gMg(NO3)2和2.4gAl(NO3)3溶解于其中，在得到的混合溶液中再加入5g NaOH，使混合溶液保持pH为10。然后依次逐滴加入5ml，0.2mol/L的NaCO3溶液和10mL,0.67mol/L的硫代乙酰胺溶液，然后将混合溶液磁力搅拌20min，随炉升温至180℃，保温12h。粉末合成后经蒸馏水乙醇洗净，置于烘箱中60℃干燥过夜，随即得到硫化铁负载的层状双氢氧化物(FeS‑LDH‑CO3)。
[0025] 实施例2
[0026] 1、15g钢渣分散到150mL，100g/L的水杨酸‑甲醇溶液中，超声分散后，将悬浮液转移到30℃水浴中，在磁力搅拌(300rpm)下保温18h，然后固液分离分别得到滤渣和滤液，备用。
[0027] 2、在聚四氟乙烯内衬中首先将0.9g九水合硅酸钠溶于6mL,0.4mol/L氢氧化钠溶液中，磁力搅拌20min，然后逐滴加入步骤(1)得到的滤液8mL，再次搅拌20min，80℃水浴中保温16.5h。粉末合成后经蒸馏水乙醇洗净，置于烘箱中60℃干燥过夜，随即得到无定形水化硅酸钙(CSH)吸附剂。
[0028] 3、2.5g步骤(1)得到的滤渣分散到200mL，125g/L的草酸溶液中，超声分散后，将悬浮液转移到90℃水浴中，在磁力搅拌(300rpm)下保温4h，然后固液分离分别得到滤渣和滤液，备用。
[0029] 4、在聚四氟乙烯内衬中首先将1.0g十二水合磷酸钠溶解于30mL水溶液中，连续搅拌20min，然后加入步骤(3)中收集到的滤渣0.2g，超声分散均匀，再次搅拌20min，随炉升温至160℃，保温2h。粉末合成后经蒸馏水乙醇洗净，置于烘箱中60℃干燥过夜，随即得到羟基磷灰石(Hydroxyapatite)吸附剂。
[0030] 5、在聚四氟乙烯内衬中首先加入40mL步骤(3)得到的滤液，然后分别加入3.7g Mg(NO3)2和2.4gAl(NO3)3溶解于其中，在得到的混合溶液中再加入5g NaOH，使混合溶液保持pH为10。然后依次逐滴加入5ml，0.2mol/L的NaCO3溶液和10mL,0.67mol/L的硫代乙酰胺溶液，然后将混合溶液磁力搅拌20min，随炉升温至180℃，保温24h。粉末合成后经蒸馏水乙醇洗净，置于烘箱中60℃干燥过夜，随即得到硫化铁负载的层状双氢氧化物(FeS‑LDH‑CO3)。
[0031] 实施例3
[0032] 1、15g钢渣分散到150mL，100g/L的水杨酸‑甲醇溶液中，超声分散后，将悬浮液转移到30℃水浴中，在磁力搅拌(300rpm)下保温18h，然后固液分离分别得到滤渣和滤液，备用。
[0033] 2、在聚四氟乙烯内衬中首先将0.9g九水合硅酸钠溶于6mL,0.4mol/L氢氧化钠溶液中，磁力搅拌20min，然后逐滴加入步骤(1)得到的滤液8mL，再次搅拌20min，80℃水浴中保温16.5h。粉末合成后经蒸馏水乙醇洗净，置于烘箱中60℃干燥过夜，随即得到无定形水化硅酸钙(CSH)吸附剂。
[0034] 3、2.5g步骤(1)得到的滤渣分散到200mL，130g/L的草酸溶液中，超声分散后，将悬浮液转移到90℃水浴中，在磁力搅拌(300rpm)下保温2h，然后固液分离分别得到滤渣和滤液，备用。
[0035] 4、在聚四氟乙烯内衬中首先将1.4g十二水合磷酸钠溶解于30mL水溶液中，连续搅拌20min，然后加入步骤(3)中收集到的滤渣0.2g，超声分散均匀，再次搅拌20min，随炉升温至160℃，保温6h。粉末合成后经蒸馏水乙醇洗净，置于烘箱中60℃干燥过夜，随即得到羟基磷灰石(Hydroxyapatite)吸附剂。
[0036] 5、在聚四氟乙烯内衬中首先加入40mL步骤(3)得到的滤液，然后分别加入3.7g Mg(NO3)2和2.4gAl(NO3)3溶解于其中，在得到的混合溶液中再加入5g NaOH，使混合溶液保持pH为12。然后依次逐滴加入5ml，0.2mol/L的NaCO3溶液和10mL,0.67mol/L的硫代乙酰胺溶液，然后将混合溶液磁力搅拌20min，随炉升温至180℃，保温24h。粉末合成后经蒸馏水乙醇洗净，置于烘箱中60℃干燥过夜，随即得到硫化铁负载的层状双氢氧化物(FeS‑LDH‑CO3)。
[0037] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
