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CN107262037B - 一种海泡石羟基氧化铁活性炭复合吸附剂的制备与应用 - Google Patents

一种海泡石羟基氧化铁活性炭复合吸附剂的制备与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种海泡石羟基氧化铁活性炭复合吸附剂的制备与应用。本发明以海泡石、海藻酸钠和水为原始材料，经过水热碳化反应制备出海泡石凝胶纤维原料；再以粉末颗粒、海泡石凝胶纤维和硫酸亚铁混合液原料经过热熔、炭化反应得到海泡石/羟基氧化铁/活性炭复合吸附剂，将其应用于处理水环境当中的Sb(Ⅴ)和As(Ⅲ)离子，取得了较好的实验结果。采用本发明方法制备的吸附剂吸附容量高，可再生利用，适用范围广，可广泛用于含锑和砷等复合重金属废水处理。

Description

一种海泡石羟基氧化铁活性炭复合吸附剂的制备与应用
技术领域
本发明属于复合吸附剂制备技术领域，具体涉及一种海泡石羟基氧化铁活性炭复合吸附剂的制备与应用。
背景技术
海泡石是新型的天然矿物质吸附剂，一般呈致密的粘土或纤维集合体，整体结构是由块和沿纤维晶轴方向延伸的孔道交替形成，且每一个块都由两个四面体SiO2薄片包裹着一个八面体MgO中心薄片构成，这种特殊结构决定了它具有很高的比表面积和良好的化学和机械稳定性，被广泛运用于环保、化工、医药、建筑等多个行业中。但天然海泡石也存在一些不足之处，如实际比表面积较小、通道小、酸性弱及热稳定性差等，因此，对其改性或复合制备以提高其吸附性能，是本领域内研究人员急需解决的问题。
羟基氧化铁主要有α-FeOOH、β-FeOOH、γ-FeOOH等正交晶系纳米结构形式，且羟基氧化铁可以均匀地负载在海泡石的表面，可有效地提高海泡石吸附剂的吸附容量和性能。活性炭是具有C-H、-OH官能团的无定形碳，属于具有亲有机特性。因此，将羟基氧化铁和活性炭来改性海泡石吸附剂，使其具有无机和有机吸附高容量特性，高效节能，符合国家环保战略要求，具有潜在广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的之一在于针对现有单一的无机或有机吸附剂去除废水中 Sb(Ⅴ)和As(Ⅲ)等离子效果差等问题，提供一种制作简便、设备简单、易于工业化生产的海泡石羟基氧化铁活性炭复合吸附剂的制备方法。
本发明的海泡石羟基氧化铁活性炭复合吸附剂的制备方法，包括如下顺序的步骤：
(1)取100重量份的活性炭原料，经破碎、超微粉碎机粉碎和超微磨粉机细化后，获得粒度为100～500目的粉末颗粒A；
(2)取10重量份提纯后粒度为80～120目的海泡石，放入浓度为1～3 mol/L的硫酸溶液中在30～60℃恒温水浴的条件下连续搅拌1～6小时，固液比为1:(20～60)，抽滤分离，用去离子水和无水乙醇反复洗涤至水溶液呈中性， 60～70℃的条件下干燥得到粉末B，待用；
(3)以步骤(2)制取的海泡石粉末B与海藻酸钠和水为原始材料，按 1:(1～5):2的质量比配制成混合液C，充分搅拌后将混合液C放入反应釜内水热碳化反应2～10h，水热碳化反应温度控制在120～180℃，反应生成的灰白色物质用去离子水洗涤，干燥后即得到具有多功能活性基团的海泡石凝胶纤维 D；
(4)先将乙二醇和去离子水按照体积比为(0.8～1.2):(0.8～1.2)的比例混合后超声2～10min，得到乙二醇水溶液，再分别按照重量比为(1～5): (95～99)的比例将硫酸亚铁加入乙二醇水溶液中超声至少5min，得到硫酸亚铁混合液E，备用；
(5)将粉末颗粒A、海泡石凝胶纤维D和硫酸亚铁混合液E按1:(1～2): (4～8)的质量比配制成混合液F，进行搅拌混合并超声至少10min，混合均匀后放入反应釜内溶剂热反应6～24h，热溶反应温度控制在180℃，将所生成的物质用去离子水洗涤、干燥，干燥后的固体研磨成粉末状，将混合物置于马弗炉中，以5～15℃/min的升温速率加热到450℃炭化，保温1～2小时，停止加热后，缓慢降温至室温，升温、保温及降温过程中均需要通入氮气保护；即获得海泡石羟基氧化铁活性炭复合吸附剂。
具体的，所述的活性炭原料为干麦秸秆、稻壳和活性污泥等废弃物中的一种或几种的混合物。
本发明方法制备的复合吸附剂是以海泡石为骨架、纳米片簇羟基氧化铁和颗粒活性炭负载其上的多孔活性物质，纳米片簇由正交晶系α-FeOOH与β-FeOOH组合构成，其氮气吸附脱附表征的比表面积为250～260m2/g。
本发明的目的之二在于提供上述海泡石羟基氧化铁活性炭复合吸附剂的制备方法制备的海泡石羟基氧化铁活性炭复合吸附剂的应用，即：将该复合吸附剂以50～1000mg/L浓度投加到废水中用于去除水环境中的金属Sb(Ⅴ)和 As(Ⅲ)等离子。
进一步，将该复合吸附剂投加在含Sb(Ⅴ)和As(Ⅲ)等复合重金属废水中应用于吸附-沉淀，将所获得的沉淀物放入浓度为0.5～2mol/L的硫酸或者盐酸溶液中在30～60℃恒温水浴的条件下连续搅拌1～4小时，然后静止沉淀，将所得的沉淀物用去离子水洗涤得到再生的海泡石羟基氧化铁活性炭复合吸附剂。
相比于现有技术，本发明的有益效果体现如下：
(1)本发明制备方法采用的活性炭来源于麦秸秆、稻壳、污泥等废物，属于废物资源化再利用，符合国家的产业发展要求。
(2)利用海泡石/羟基氧化铁/活性炭复合吸附剂的技术先进，所需设备简单、操作简单、投资少，有利于工业化生产。
(3)通过本发明制备的海泡石/羟基氧化铁/活性炭复合吸附剂具有比表面积大、且具备多种官能基团，吸附性能好，易于保存，便于使用。
(4)通过本发明方法制备的海泡石/羟基氧化铁/活性炭复合吸附剂的再生条件简单，可以重复利用。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1：
(1)取100重量份的干麦秸秆，经破碎、超微粉碎机粉碎和超微磨粉机细化后，获得粒度为200目的粉末颗粒A；
(2)取10重量份提纯后粒度为100目的海泡石，放入浓度为2mol/L的硫酸溶液中在40℃恒温水浴的条件下连续搅拌3小时，固液比为1:30，抽滤分离，用去离子水和无水乙醇反复洗涤至水溶液呈中性，65℃的条件下干燥得到粉末 B，待用；
(3)以海泡石粉末B、海藻酸钠和水为原始材料，按1:3:2的质量比配制成混合液C，充分搅拌后将混合液C放入反应釜内水热碳化反应6h，水热碳化反应温度控制在150℃，用去离子水洗涤，干燥后即得到具有多功能活性基团的海泡石凝胶纤维D；
(4)先将乙二醇和去离子水按照体积比为1:1的比例混合后超声6min，得到乙二醇水溶液，再分别按照重量比为5:95的比例将硫酸亚铁加入乙二醇水溶液中超声6min，得到硫酸亚铁混合液E，备用；
(5)将粉末颗粒A、海泡石凝胶纤维D和硫酸亚铁混合液E按1:2:6的质量比配制成混合液F，进行搅拌混合并超声12min，混合均匀后放入反应釜内溶剂热反应10h，热溶反应温度控制在180℃，将所生成的物质用去离子水洗涤、干燥，将干燥后的固体研磨成粉末状，将混合物置于马弗炉中，以10℃/min的升温速率加热到450℃炭化，保温2小时，停止加热后，缓慢降温至室温；升温、保温及降温过程中均需要通入氮气保护，即获得海泡石/羟基氧化铁/活性炭复合吸附剂。
(6)本实施例的海泡石/羟基氧化铁/活性炭复合吸附剂是以海泡石为骨架、纳米片簇羟基氧化铁和颗粒活性炭负载其上的多孔活性物质，纳米片簇由正交晶系α-FeOOH与β-FeOOH组合构成，其氮气吸附脱附表征的比表面积为 251m2/g。
(7)将本实施例所制得的海泡石/羟基氧化铁/活性炭复合吸附剂以 50～1000mg/L投加到废水中用于去除水环境中的重金属Sb(Ⅴ)和As(Ⅲ)等离子。
(8)将本实施例所制得的海泡石/羟基氧化铁/活性炭复合吸附剂在含 Sb(Ⅴ)和As(Ⅲ)等复合重金属废水中应用(吸附-沉淀)，将所获得的沉淀物放入浓度为1mol/L的硫酸溶液中在40℃恒温水浴的条件下连续搅拌3小时，然后静止沉淀，将所得的沉淀物用去离子水洗涤得到再生的海泡石/羟基氧化铁/活性炭复合吸附剂，备用。
(9)重复(7)和(8)的步骤4次。
实施例2：
(1)取150重量份的腐殖质活性污泥，经破碎、超微粉碎机粉碎和超微磨粉机细化后，获得粒度为100目的粉末颗粒A；
(2)取10重量份提纯后粒度为120目的海泡石，放入浓度为2.5mol/L的硫酸溶液中在50℃恒温水浴的条件下连续搅拌3小时，固液比为1:40，抽滤分离，用去离子水和无水乙醇反复洗涤至水溶液呈中性，65℃的条件下干燥得到粉末 B，待用；
(3)以海泡石粉末B、海藻酸钠和水为原始材料，按1:2:2的质量比配制成混合液C，充分搅拌后将混合液C放入反应釜内水热碳化反应8h，水热碳化反应温度控制在150℃，反应生成的灰白色物质用去离子水及无水乙醇洗涤，干燥后即得到具有多功能活性基团的海泡石凝胶纤维D；
(4)先将乙二醇和去离子水按照体积比为1:1的比例混合后超声8min，得到乙二醇水溶液，再分别按照重量比为5:95的比例将硫酸亚铁加入乙二醇水溶液中超声8min，得到硫酸亚铁混合液E，备用；
(5)将粉末颗粒A、海泡石凝胶纤维D和硫酸亚铁混合液E按1:2:8的质量比配制成混合液F，进行搅拌混合并超声10min，混合均匀后放入反应釜内溶剂热反应12h，热溶反应温度控制在180℃，将所生成的物质用去离子水洗涤、干燥，干燥后的固体研磨成粉末状，将混合物置于马弗炉中，以10℃/min的升温速率加热到450℃炭化，保温1.5小时，停止加热后，缓慢降温至室温；升温、保温及降温过程中均需要通入氮气保护，即获得海泡石/羟基氧化铁/活性炭复合吸附剂。
(6)本实施例所制得的海泡石/羟基氧化铁/活性炭复合吸附剂是以海泡石为骨架、纳米片簇羟基氧化铁和颗粒活性炭负载其上的多孔活性物质，纳米片簇由正交晶系α-FeOOH与β-FeOOH组合构成，其氮气吸附脱附表征的比表面积为258m2/g。
(7)将本实施例所制得的海泡石/羟基氧化铁/活性炭复合吸附剂以 50～1000mg/L浓度投加到废水中用于去除水环境中的重金属Sb(Ⅴ)和As(Ⅲ)等离子；
(8)将本实施例所制得的海泡石/羟基氧化铁/活性炭复合吸附剂在含 Sb(Ⅴ)和As(Ⅲ)等复合重金属废水中应用(吸附-沉淀)，将所获得的沉淀物放入浓度为1mol/L的硫酸溶液中在40℃恒温水浴的条件下连续搅拌3小时，然后静止沉淀，将所得的沉淀物用去离子水洗涤得到再生的海泡石/羟基氧化铁/活性炭复合吸附剂，备用。
(9)重复(7)和(8)的步骤4次。
实施例3：
(1)取150重量份的稻壳，经破碎、超微粉碎机粉碎和超微磨粉机细化后，获得粒度为100目的粉末颗粒A；
(2)取10重量份提纯后粒度为100目的海泡石，放入浓度为2.0mol/L的硫酸溶液中在50℃恒温水浴的条件下连续搅拌3小时，固液比为1:30，抽滤分离，用去离子水和无水乙醇反复洗涤至水溶液呈中性，60℃的条件下干燥得到粉末 B，待用；
(3)以海泡石粉末B、海藻酸钠和水为原始材料，按1:2:2的质量比配制成混合液C，充分搅拌后将混合液C放入反应釜内水热碳化反应8h，水热碳化反应温度控制在150℃，反应生成的灰白色物质用去离子水洗涤，干燥后即得到具有多功能活性基团的海泡石凝胶纤维D；
(4)先将乙二醇和去离子水按照体积比为1:1的比例混合后超声8min，得到乙二醇水溶液，再分别按照重量比为4:96的比例将硫酸亚铁加入乙二醇水溶液中超声8min，得到硫酸亚铁混合液E，备用；
(5)将粉末颗粒A、海泡石凝胶纤维D和硫酸亚铁混合液E按1:2:8的质量比配制成混合液F，进行搅拌混合并超声10min，混合均匀后放入反应釜内溶剂热反应12h，热溶反应温度控制在180℃，将所生成的物质用去离子水洗涤、干燥，干燥后的固体研磨成粉末状，将混合物置于马弗炉中，以10℃/min的升温速率加热到450℃炭化，保温1.5小时，停止加热后，缓慢降温至室温；升温、保温及降温过程中均需要通入氮气保护，即获得海泡石/羟基氧化铁/活性炭复合吸附剂。
(6)本实施例所制得的海泡石/羟基氧化铁/活性炭复合吸附剂是以海泡石为骨架、纳米片簇羟基氧化铁和颗粒活性炭负载其上的多孔活性物质，纳米片簇由正交晶系α-FeOOH与β-FeOOH组合构成，其氮气吸附脱附表征的比表面积为251m2/g。
(7)将本实施例所制得的海泡石/羟基氧化铁/活性炭复合吸附剂以 50～1000mg/L的浓度投加到废水中用于去除水环境中的重金属Sb(Ⅴ)和As(Ⅲ) 等离子。
(8)将本实施例所制得的海泡石/羟基氧化铁/活性炭复合吸附剂在含 Sb(Ⅴ)和As(Ⅲ)等复合重金属废水中应用(吸附-沉淀)，将所获得的沉淀物放入浓度为1mol/L的盐酸溶液中在40℃恒温水浴的条件下连续搅拌3小时，然后静止沉淀，将所得的沉淀物用去离子水洗涤得到再生的海泡石/羟基氧化铁/活性炭复合吸附剂，备用。
(9)重复(7)和(8)的步骤4次。
本发明方法制备的海泡石/羟基氧化铁/活性炭复合吸附剂对水中锑、砷离子的去除，具体包括如下步骤：
首先，分析待处理水中Sb(Ⅴ)离子的含量。
其次，根据水中Sb(Ⅴ)和As(Ⅲ)的含量计算海泡石/羟基氧化铁/活性炭复合吸附剂的量，水中所含投加的海泡石/羟基氧化铁/活性炭复合吸附剂的量为 50～1000mg/L。
第三，去除过程为：
(1)将含有锑、砷离子的水输送至反应器中，按上述反应比例，通过加药管向反应器中投加海泡石/羟基氧化铁/活性炭复合吸附剂；同时，启动搅拌器将上述水体和所述絮凝剂充分搅拌，(以150r/min的速度搅拌5分钟，然后再以30r/min的速度搅拌120～180分钟)，通过海泡石/羟基氧化铁/活性炭复合吸附剂吸附作用从而使水环境当中的锑离子浓度下降90％以上；
(2)将步骤(1)处理的水体，静置30-300min；通过沉降作用使水中海泡石/羟基氧化铁/活性炭复合吸附剂及其吸附物沉降到底部。
本发明的作用机理：水环境中的Sb(Ⅴ)和As(Ⅲ)等离子被海泡石/羟基氧化铁/活性炭复合吸附剂中的羧基、羟基、氨基、α-FeOOH、β-FeOOH、
γ-FeOOH等吸附及络合反应，然后通过沉淀作用从而得到去除，将水环境中的Sb(Ⅴ)和As(Ⅲ)离子吸附掉90-95％左右，大大降低水环境中Sb(Ⅴ)离子的浓度，其中吸附再生解吸四次后的对Sb(Ⅴ)和As(Ⅲ)离子去除率依然可达 80-87％，具有很好的吸附去除效果。

Claims (4)

1.一种海泡石羟基氧化铁活性炭复合吸附剂的制备方法，其特征在于包括如下顺序的步骤：
(1)取100～200重量份的活性炭原料，经破碎、超微粉碎机粉碎和超微磨粉机细化后，获得粒度为100～500目的粉末颗粒A；
(2)取10重量份提纯后粒度为80～120目的海泡石，放入浓度为1～3mol/L的硫酸溶液中在30～60℃恒温水浴的条件下连续搅拌1～6小时，固液比为1:(20～60)，抽滤分离，用去离子水和无水乙醇反复洗涤至水溶液呈中性，60～70℃的条件下干燥得到粉末B，待用；
(3)以步骤(2)制取的海泡石粉末B与海藻酸钠和水为原始材料，按1:(1～5):2的质量比配制成混合液C，充分搅拌后将混合液C放入反应釜内水热碳化反应2～10h，水热碳化反应温度控制在120～180℃，反应生成的灰白色物质用去离子水洗涤，干燥后即得到具有多功能活性基团的海泡石凝胶纤维D；
(4)先将乙二醇和去离子水按照体积比为(0.8～1.2):(0.8～1.2)的比例混合后超声2～10min，得到乙二醇水溶液，再分别按照重量比为(1～5):(95～99)的比例将硫酸亚铁加入乙二醇水溶液中超声至少5min，得到硫酸亚铁混合液E，备用；
(5)将粉末颗粒A、海泡石凝胶纤维D和硫酸亚铁混合液E按1:(1～2):(4～8)的质量比配制成混合液F，进行搅拌混合并超声至少10min，混合均匀后放入反应釜内溶剂热反应6～24h，反应温度控制在180℃，将所生成的物质用去离子水洗涤、干燥，干燥后的固体研磨成粉末状，将混合物置于马弗炉中，以5～15℃/min的升温速率加热到450℃炭化，保温1～2小时，停止加热后，缓慢降温至室温，升温、保温及降温过程中均需要通入氮气保护；即获得海泡石羟基氧化铁活性炭复合吸附剂。
2.根据权利要求1所述海泡石羟基氧化铁活性炭复合吸附剂的制备方法，其特征在于：所述的活性炭原料为干麦秸秆、稻壳和活性污泥废弃物中的一种或几种的混合物。
3.一种如权利要求1所述海泡石羟基氧化铁活性炭复合吸附剂的制备方法制备的海泡石羟基氧化铁活性炭复合吸附剂的应用，其特征在于：将该复合吸附剂以50～1000mg/L浓度投加到废水中用于去除水环境中的金属SbⅤ和AsⅢ离子。
4.根据权利要求3所述海泡石羟基氧化铁活性炭复合吸附剂的制备方法制备的海泡石羟基氧化铁活性炭复合吸附剂的应用，其特征在于：将该复合吸附剂投加在含SbⅤ和AsⅢ复合重金属废水中应用于吸附-沉淀，将所获得的沉淀物放入浓度为0.5～2mol/L的硫酸或者盐酸溶液中在30～60℃恒温水浴的条件下连续搅拌1～4小时，然后静止沉淀，将所得的沉淀物用去离子水洗涤得到再生的海泡石羟基氧化铁活性炭复合吸附剂。
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