CN101444717A - 一种制备凹凸棒土/氧化锌纳米复合材料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制备凹凸棒土/氧化锌纳米复合材料的方法，首先在水相对凹凸棒土原料进行提纯和分散处理，制备出纳米凹凸棒土分散液，然后将纳米凹凸棒土分散液的温度调节到30～100℃，边搅拌边分别向纳米凹凸棒土分散液中加入浓度为0.3～3mol·L^－1的锌盐水溶液和浓度为0.3～2mol·L^－1的碳酸盐水溶液，维持混合液的pH值为6.0～8.0。将制备的纳米凹凸棒土和碱式碳酸锌组成的混合浆液进行过滤，并用去离子水洗涤滤饼，当滤液的电导率小于300μS·cm^－1时洗涤结束，将所得滤饼在不高于110℃下干燥，然后在300～600℃下焙烧1～10小时，粉碎。本发明简单易行，具有能耗低，安全性高的优点，制备出的吸附材料负载均匀、分散性能好、吸附能力强且有明显的光催化降解性能。

Description

一种制备凹凸棒土/氧化锌纳米复合材料的方法

技术领域

本发明属于环境保护技术领域，涉及一种制备凹凸棒土/氧化锌纳米复合材料的方法。

背景技术

印染废水具有色度高、品种繁多、结构各异、毒性大和处理难度大的特点，迄今仍是工业废水治理中的难题之一。目前，染料废水的处理方法有物理处理法、化学处理法及生物处理法等。

物理处理法去除水中污染物具有效率高、速度快、适应性强和易操作等优点，而且只发生在固体表面，没有进一步发生化学反应，一般不会引入新的化学物质到所处理的水中。吸附法是最常用的物理处理法，所用的吸附剂主要有硅胶、活性炭、活性氧化铝、分子筛、硅藻土、高岭土和蒙脱土等。尽管活性炭对色度的去除效果较好，但由于其受吸附容量和生产原料的限制，以及再生技术和经济效益问题，一般用于浓度较低的废水和深度处理。所以开发高效廉价的吸附剂是吸附法的主要研究方向。

凹凸棒土简称凹土，也称凹凸棒石、坡缕石，是一种层链状结构的含水富镁铝硅酸盐粘土矿物，凹凸棒土的基本结构单元为棒晶，棒晶呈纤维状，长0.5～5μm，直径为20～40nm，属于天然的一维纳米材料，具有良好的吸附性能且价格便宜。为进一步提高凹凸棒土的吸附性能，满足工业要求，在使用前需对其进行改性处理。常用的凹凸棒土改性处理方法有：热活化改性、酸活化改性、无机改性和有机改性等。如王连军等采用热活化改性的凹凸棒土，处理染化废水(南京理工大学学报，1998年第3期)。热活化工艺流程简单，但产品的脱色性能较差。张莉莉用HF、HNO₃、H₂SO₄和HCl等酸化改性的凹凸棒土，用于含苯酚的模拟废水进行吸附处理(淮阴师范学院学报(自然科学版)，2006年第4期)。王文己等用盐酸处理凹凸棒土，吸附重金属离子Pb²⁺(非金属矿，2006年第4期)。陈天虎用1M磷酸改性凹凸棒土，用于提高凹凸棒土对染料和酚等污染物的吸附能力(工业水处理，2000年第4期)。酸活化工艺流程复杂，生产周期长，反复洗涤会产生大量含酸废水，造成对环境的二次污染。包军杰等利用阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵、溴代十六烷基吡啶(CPB)、四乙基溴化铵和四丁基溴化铵分别对凹凸棒土进行改性，研究有机改性凹凸棒土对水中邻硝基苯酚的吸附作用(环境化学，2007年第3期)。黄健花等利用十八烷基三甲基氯化铵有机改性凹凸棒土，用于对水中苯酚的吸附(中国油脂，2005年第2期；环境污染治理技术与设备，2005年第9期)。但阳离子表面活性剂的价格较高，限制了有机改性凹凸棒土在环保领域的应用。申请号为200410041493.X的专利提出了将浓度为98％的硫酸稀释后喷洒在凹凸棒土中反应24～48小时，烘干后加入一定比例的明矾和改性淀粉磨粉制得印染脱色剂，但该法生产周期长，加入大量明矾和改性淀粉导致生产成本增高。申请号为200610020774.6的专利提出一种凹凸棒矿物制造印染废水脱色材料的方法，将80-100目的凹凸棒土用硫酸酸化后，用碱溶液中和至pH值7～8，分离、烘干、700℃煅烧0.5～2h得到印染废水脱色材料。该法虽然避免了大量酸污水的产生和洗酸的复杂性，但该方法的缺点是：(1)需要消耗大量的硫酸和碱；(2)碱溶液中和会使酸化凹凸棒土过程中产生的金属阳离子重新形成沉淀，减弱酸化改性效果；(3)所采用的凹凸棒土颗粒较大，不能体现纳米凹凸棒土的特殊吸附性能；(4)700℃下煅烧会破坏凹凸棒土结构，造成其比表面积急剧下降和吸附能力的降低。

自半导体的光催化效应发现以来，一直引起人们的重视，原因在于这种效应在环保、水质处理、有机物降解、失效农药降解等方面有重要的应用。近年来，人们一直致力于寻找光活性好、光催化效率高、经济价廉的材料。纳米氧化锌由于比表面积大、表面活性中心多而具有较高的光催化特性，其应用研究在国内外文献上时有报导。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术存在的不足之处，提供一种高吸附容量、光催化活性高、低成本、操作方便、负载均匀的凹凸棒土/氧化锌纳米复合材料的制备方法。

本发明采用的技术方案是：首先在水相对凹凸棒土原料进行提纯和分散处理，制备出纳米凹凸棒土分散液，然后采用以下步骤：

1、将所述纳米凹凸棒土分散液的温度调节到30～100℃，边搅拌边分别向纳米凹凸棒土分散液中加入浓度为0.3～3mol·L^-1的锌盐水溶液和浓度为0.3～2mol·L^-1的碳酸盐水溶液，维持反应体系混合液的pH值为6.0～8.0，反应液加完后，继续搅拌0.5～5小时。

2、将步骤1所制备的纳米凹凸棒土和碱式碳酸锌组成的混合浆液进行过滤，并用去离子水洗涤滤饼，当滤液的电导率小于300μS·cm-1时，洗涤结束。

3、将步骤2所得的滤饼在不高于110℃下干燥，然后在300～600℃下焙烧1～10小时，粉碎。

所述步骤1的锌盐为硫酸锌、氯化锌和硝酸锌中的一种。

所述步骤1的碳酸盐为碳酸钠、碳酸钾和碳酸铵中的一种。

所述步骤1的锌盐的用量以生成ZnO的质量计，占纳米凹凸棒土质量的10～100％；。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明所述改性方法步骤简单易行，处理全过程均在较温和的条件下完成，不会破坏凹凸棒土的本身结构，具有能耗低，安全性高的优点，而且制备出的吸附材料负载均匀、分散性能好。

2、将纳米氧化锌负载在纳米凹凸棒土的表面，既可以提高凹凸棒土的吸附性能，也能体现纳米氧化锌的光催化特性，价格便宜，水处理效果好、吸附容量大、吸附剂用量少、处理成本低。

3、纯的纳米凹凸棒土浆料不容易沉淀分层，过滤速度慢。本发明中与碱式碳酸锌复合后，混合浆体变得很容易沉淀分层，过滤速率明显变快，可用常用的过滤设备(如板框过滤机、叶滤机、真空转鼓过滤机、离心机等)方便地进行固—液分离操作。

4、在制备凹凸棒土/氧化锌纳米复合材料的过程中，只需一次固液分离，大大减少了废水的产生量，且复合的pH值控制在中性，保证了污染物排放的安全性，使材料的制造过程基本无污染、绿色环保。而且本发明制备的吸附材料在水处理后无残留物质，对水体不会造成污染。

5、由于凹凸棒土表面具有的能吸附小分子的大量微孔以及表面均匀负载的纳米氧化锌颗粒，使得凹凸棒土/氧化锌复合材料比单纯的纳米氧化锌和单纯的凹凸棒土具有更高的吸附性能，使其在工业水处理方面有广泛的潜在应用价值。

6、本发明制备的复合吸附材料还具有明显的光催化降解性能。

附图说明

下面通过附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1为实施例5所得凹凸棒土/氧化锌纳米复合材料的TEM图片。

具体实施方式

本发明首先在水相对凹凸棒土原料进行提纯和分散处理，制备出纳米凹凸棒土分散液，再将所述纳米凹凸棒土分散液的温度调节到30～100℃，一边搅拌，一边分别向纳米凹凸棒土分散液中加入浓度为0.3～3mol·L^-1的锌盐水溶液和浓度为0.3～2mol·L^-1的碳酸盐水溶液，维持反应体系混合液的pH值为6.0～8.0，反应液加完后，继续搅拌0.5～5小时。锌盐为硫酸锌、氯化锌和硝酸锌中的一种，锌盐的用量以生成ZnO的质量计，占纳米凹凸棒土质量的10～100％。碳酸盐为碳酸钠、碳酸钾和碳酸铵中的一种。将所制备的纳米凹凸棒土和碱式碳酸锌组成的混合浆液进行过滤，并用去离子水洗涤滤饼，当滤液的电导率小于300μS·cm-1时，洗涤结束；最后将所得的滤饼在不高于110℃下干燥，然后在300～600℃下焙烧1～10小时，粉碎即可。

本发明吸附性能评价：本发明中凹凸棒土/氧化锌纳米复合材料的吸附性能通过吸附量来评价。

取0.1g复合材料投加到500mL含亚甲基蓝10mg·L^-1的溶液中，在温度为30℃下搅拌吸附，当达到吸附平衡后，离心分离30min，取出上清液，用分光光度计在666nm波长下以去离子水为参比溶液测其吸光度，用内标法计算其浓度，由下式计算去除率和吸附量：

$q_V=\frac{V({\mathrm{\ρ}}_0-{\mathrm{\ρ}}_e)}{m}---\left(1\right)$

式中：q_v--单位质量凹凸棒土所吸附染料质量，mg·g^-1；V--亚甲基蓝溶液体积，L；P₀--染料溶液的初始质量浓度，mg·L^-1；ρ_e--吸附平衡后的质量浓度，mg·L^-1；m--复合材料用量，g。

本发明光催化性能评价：取0.1g复合材料和500mL含亚甲基蓝10mg·L^-1的溶液加入XPA光催化反应器(南京胥江机电厂)，开启搅拌并从底部通入流量约为0.02L·min^-1的空气，5min后开启紫外灯(功率15W、波长264nm)，每隔30min取出15mL的反应悬浊液，离心分离30min，取出上清液，用分光光度计以去离子水为参比溶液，通过分光光度计在666nm波长下测定溶液的吸光度，降解率按下式计算：

$D=\left(\frac{A_0-A}{A_0}\right)\×100\%---\left(2\right)$

式中：D--亚甲基蓝的降解率(％)；A₀--降解前亚甲基蓝的吸光度；A--降解后亚甲基蓝的吸光度。

实施例1

将凹凸棒土加入去离子水中，配制成含凹凸棒土100g·L^-1的悬浮液4L，加入占凹凸棒土质量3％的六偏磷酸钠，用ME-100高剪切混合乳化机(美国Ross公司)以6000转/分钟的速度分散2h，静置100h，除去下部的杂质沉淀，得到固含量为75g·L^-1的纳米凹凸棒土分散液。量取400mL纳米凹凸棒土分散液置于1000mL的四颈烧瓶中，一边搅拌，一边分别向纳米凹凸棒土分散液中滴加浓度为0.3mol·L^-1的硫酸锌水溶液和浓度为0.3mol·L^-1的碳酸钠水溶液，控制反应温度为30℃，反应体系混合液的pH值为6.0，硫酸锌的用量以生成ZnO的质量计，占纳米凹凸棒土质量的10％，反应液滴加完后，继续搅拌0.5小时。过滤，用去离子水反复洗涤到滤液的电导率为283μS/cm，洗涤结束。所得的滤饼在100℃下干燥6h，再放入马弗炉中在300℃下焙烧10小时，粉碎，得到凹凸棒土/氧化锌纳米复合材料。

该复合材料对亚甲基蓝的吸附量为43.80mg/g，光催化反应3小时后亚甲基蓝的降解率为92.6％。

实施例2

将凹凸棒土加入去离子水中，配制成含凹凸棒土50g·L^-1的悬浮液3L，加入占凹凸棒土质量2％的焦磷酸钠，用ME-100高剪切混合乳化机(美国Ross公司)以4000转/分钟的速度分散10h，静置80h，除去下部的杂质沉淀，得到固含量为38g·L^-1的纳米凹凸棒土分散液。量取600mL纳米凹凸棒土分散液置于1000mL的四颈烧瓶中，一边搅拌，一边分别向纳米凹凸棒土分散液中滴加浓度为3mol·L^-1的氯化锌水溶液和浓度为2mol·L^-1的碳酸铵水溶液，控制反应温度为60℃，反应体系混合液的pH值为6.8，氯化锌的用量以生成ZnO的质量计，占纳米凹凸棒土质量的100％，反应液加完后，继续搅拌5小时。过滤，用去离子水反复洗涤到滤液的电导率为215μS/cm，洗涤结束。所得的滤饼在80℃下干燥10小时，再放入马弗炉中在600℃下焙烧1小时，粉碎，得到凹凸棒土/氧化锌纳米复合材料。

该复合材料对亚甲基蓝的吸附量为40.3mg/g，光催化反应3小时后亚甲基蓝的降解率为91.0％。

实施例3

将凹凸棒土加入去离子水中，配制成含凹凸棒土200g·L^-1的悬浮液3.5L，加入占凹凸棒土质量4％的聚丙烯酸钠，用ME-100高剪切混合乳化机(美国Ross公司)以5000转/分钟的速度分散4h，静置150h，除去下部的杂质沉淀，得到固含量为150g·L^-1的纳米凹凸棒土分散液。量取300mL纳米凹凸棒土分散液置于1000mL的四颈烧瓶中，一边搅拌，一边分别向纳米凹凸棒土分散液中滴加浓度为1mol·L^-1的硝酸锌水溶液和浓度为1mol·L^-1的碳酸钾水溶液，控制反应温度为100℃，反应体系混合液的pH值为8.0，硝酸锌的用量以生成ZnO的质量计，占纳米凹凸棒土质量的50％，反应液加完后，继续搅拌3小时。过滤，用去离子水反复洗涤到滤液的电导率为234μS/cm，洗涤结束。所得的滤饼在110℃下干燥3小时，再放入马弗炉中在500℃下焙烧2小时，粉碎，得到凹凸棒土/氧化锌纳米复合材料。

该复合材料对亚甲基蓝的吸附量为45.4mg/g，光催化反应3小时后亚甲基蓝的降解率为96.7％。

实施例4

将凹凸棒土加入去离子水中，配制成含凹凸棒土80g·L^-1的悬浮液3L，加入占凹凸棒土质量5％的三聚磷酸钠，用ME-100高剪切混合乳化机(美国Ross公司)以4000转/分钟的速度分散8h，静置70h，除去下部的杂质沉淀，得到固含量为60g·L^-1的纳米凹凸棒土分散液。量取500mL纳米凹凸棒土分散液置于1000mL的四颈烧瓶中，一边搅拌，一边分别向纳米凹凸棒土分散液中滴加浓度为2mol·L^-1的氯化锌水溶液和浓度为1mol·L^-1的碳酸铵水溶液，控制反应温度为50℃，反应体系混合液的pH值为7.4，氯化锌的用量以生成ZnO的质量计，占纳米凹凸棒土质量的20％，反应液加完后，继续搅拌4小时。过滤，用去离子水反复洗涤到滤液的电导率为200μS/cm，洗涤结束。所得的滤饼在90℃下干燥7小时，再放入马弗炉中在500℃下焙烧2小时，粉碎，得到凹凸棒土/氧化锌纳米复合材料。

该复合材料对亚甲基蓝的吸附量为48.1mg/g，光催化反应3小时后亚甲基蓝的降解率为99.1％。

实施例5

将凹凸棒土加入去离子水中，配制成含凹凸棒土120g·L^-1的悬浮液3.5L，加入占凹凸棒土质量2％的聚丙烯酸钠和1％的焦磷酸钠，用ME-100高剪切混合乳化机(美国Ross公司)以5000转/分钟的速度分散4h，静置96h，除去下部的杂质沉淀，得到固含量为90g·L^-1的纳米凹凸棒土分散液。量取400mL纳米凹凸棒土分散液置于1000mL的四颈烧瓶中，一边搅拌，一边分别向纳米凹凸棒土分散液中滴加浓度为1mol·L^-1的硫酸锌水溶液和浓度为1mol·L^-1的碳酸铵水溶液，控制反应温度为60℃，反应体系混合液的pH值为7.5，硫酸锌的用量以生成ZnO的质量计，占纳米凹凸棒土质量的20％，反应液加完后，继续搅拌2小时。过滤，用去离子水反复洗涤到滤液的电导率为184μS/cm，洗涤结束。所得的滤饼在110℃下干燥3小时，再放入马弗炉中在500℃下焙烧2小时，粉碎，得到凹凸棒土/氧化锌纳米复合材料，见图5的TEM图片。

该复合材料对亚甲基蓝的吸附量为49.0mg/g，光催化反应3小时后亚甲基蓝的降解率为99.6％。

比较例1

量取400mL去离子水置于1000mL的四颈烧瓶中，一边搅拌，一边分别向烧瓶中滴加浓度为1mol·L^-1的硫酸锌水溶液和浓度为1mol·L^-1的碳酸铵水溶液，控制反应温度为60℃，反应体系混合液的pH值为7.5，硫酸锌水溶液的用量为200mL，反应液加完后，继续搅拌2小时。过滤，用去离子水反复洗涤到滤液的电导率为161μS/cm，洗涤结束。所得的滤饼在110℃下干燥3小时，再放入马弗炉中在500℃下焙烧2小时，粉碎，得到纳米氧化锌粉体。

该纳米氧化锌粉体对亚甲基蓝的吸附量为17.2mg/g，光催化反应3小时后亚甲基蓝的降解率为72.6％。

比较例2

将浓度为1mol·L^-1的硫酸锌盐水溶液200mL置于500mL的三颈烧瓶中，一边搅拌，一边向硫酸锌盐水溶液中滴加浓度为1mol·L^-1的碳酸铵水溶液200mL，控制反应温度为60℃，碳酸铵水溶液加完后，继续搅拌2小时。过滤，用去离子水反复洗涤到滤液的电导率为213μS/cm，洗涤结束。所得的滤饼在110℃下干燥3h，再放入马弗炉中在500℃下焙烧2小时，粉碎，得到纳米氧化锌粉体。

该纳米氧化锌粉体对亚甲基蓝的吸附量为15.1mg/g，光催化反应3小时后亚甲基蓝的降解率为78.3％。

比较例3

将凹凸棒土加入去离子水中，配制成含凹凸棒土120g·L^-1的悬浮液3.5L，加入占凹凸棒土质量2％的聚丙烯酸钠和1％的焦磷酸钠，用ME-100高剪切混合乳化机(美国Ross公司)以5000转/分钟的速度分散4h，静置96h，除去下部的杂质沉淀，得到固含量为90g·L^-1的纳米凹凸棒土分散液。将此分散液干燥，粉碎，得到分离提纯后的凹凸棒土。

该凹凸棒土对亚甲基蓝的吸附量为24.4mg/g，光催化反应3小时后亚甲基蓝的降解率为0。

比较例4

将凹凸棒土加入去离子水中，配制成含凹凸棒土120g·L^-1的悬浮液3.5L，加入占凹凸棒土质量2％的聚丙烯酸钠和1％的焦磷酸钠，用ME-100高剪切混合乳化机(美国Ross公司)以5000转/分钟的速度分散4h，静置96h，除去下部的杂质沉淀，得到固含量为90g·L^-1的纳米凹凸棒土分散液。将此分散液干燥，再放入马弗炉中在500℃下焙烧2小时，粉碎，得到热改性的凹凸棒土。

该凹凸棒土对亚甲基蓝的吸附量为27.2mg/g，光催化反应3小时后亚甲基蓝的降解率为0。

Claims (4)

1.一种制备凹凸棒土/氧化锌纳米复合材料的方法，在水相对凹凸棒土原料进行提纯和分散处理，制备出纳米凹凸棒土分散液，其特征在于采用如下步骤：

(1)将所述纳米凹凸棒土分散液的温度调节到30～100℃，边搅拌边分别向纳米凹凸棒土分散液中加入浓度为0.3～3mol·L^-1的锌盐水溶液和浓度为0.3～2mol·L^-1的碳酸盐水溶液，维持反应体系混合液的pH值为6.0～8.0，反应液加完后，继续搅拌0.5～5小时；

(2)将步骤(1)所制备的纳米凹凸棒土和碱式碳酸锌组成的混合浆液进行过滤，并用去离子水洗涤滤饼，当滤液的电导率小于300μS·cm^-1时，洗涤结束；

(3)将步骤(2)所得的滤饼在不高于110℃下干燥，然后在300～600℃下焙烧1～10小时，粉碎。

2.根据权利要求1所述的一种制备凹凸棒土/氧化锌纳米复合材料的方法，其特征在于：步骤(1)中所述锌盐为硫酸锌、氯化锌和硝酸锌中的一种。

3.根据权利要求1所述的一种制备凹凸棒土/氧化锌纳米复合材料的方法，其特征在于：步骤(1)中所述碳酸盐为碳酸钠、碳酸钾和碳酸铵中的一种。

4.根据权利要求1所述的一种制备凹凸棒土/氧化锌纳米复合材料的方法，其特征在于：步骤(1)中所述锌盐的用量以生成ZnO的质量计，占纳米凹凸棒土质量的10～100％。

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