CN102249382A

CN102249382A - 磁性复合纳米氧化铁絮凝剂制备方法及水处理应用

Info

Publication number: CN102249382A
Application number: CN 201110102077
Authority: CN
Inventors: 田秉晖; 罗九鹏; 辛丽花; 刘徽; 王国田; 贾大伟; 苏敏
Original assignee: Research Center for Eco Environmental Sciences of CAS
Current assignee: Research Center for Eco Environmental Sciences of CAS
Priority date: 2011-04-22
Filing date: 2011-04-22
Publication date: 2011-11-23

Abstract

本发明涉及一种磁性纳米Fe₃O₄复合絮凝剂的制备方法以及水处理磁分离应用，属于废水处理技术领域。本发明以氯化业铁、氯化铁、硫酸铝和浓氨水为主要原料，采用共沉淀法制备出磁性复合纳米氧化铁絮凝剂，并应用于废水处理。该方法产率高、成本低、操作简单、无二次污染，对工业废水典型污染物具有较好的处理效果。

Description

磁性复合纳米氧化铁絮凝剂制备方法及水处理应用

技术领域

本发明属于废水处理技术领域。通过共沉淀法制备出纳米Fe₃O₄复合絮凝剂，用于废水处理，最后利用磁分离技术进行分离。

背景技术

随着纳米科技的发展，纳米材料已经成为当前材料科学发展的一个不可或缺的重要领域。随着我国社会经济的快速发展，我国水环境污染日益严重，水质日益恶化，传统的絮凝剂已无法满足对污水的水质净化要求。目前，由于无机絮凝剂对有机或有毒有害污染物去除较差，有机高分子絮凝剂成本过高，操作繁琐等问题，高效絮凝剂的研究始终难有突破。近年来，关于纳米材料科学的研究取得了突飞猛进的进展。

研究表明，纳米氧化铁与传统的絮凝吸附材料相比，具有纳米材料量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应以及宏观量子隧道效应等特性，对浊度和有机污染物具有较好的絮凝吸附效果。尤其是掺杂型纳米絮凝剂的研究，使得其具有比一般纳米絮凝剂更加卓越的处理效果。

张向东等人(申请号：200710158561.4)发明了“一种球形纳米氧化铁的制备方法”，利用该方法可制备出球形、粒径均匀的纳米氧铁粒子；姜继森等人(申请号：200510111203.9)发明了“一种磁性氧化铁纳米粒子的制备方法”，利用该方法，能够在较低温度下制备出长径比为6的棒状γ-Fe₂O₃纳米粒子及粒径为20nm的立方形γ-Fe₂O₃纳米粒子；陈祥龙等人(申请号：200810122304.X)发明了“一种纳米级氧化铁红的制备方法”，此发明制备的透明氧化铁红粒具有径分布均匀，色相纯，分散性好等特点；董书山等人(申请号：200510017551.X)发明了一种“纳米级氧化铁黄颜料的制备方法”，相比于原有制备氧化铁黄的方法，该方法具有制备的颗粒粒度分布均匀、工艺流程短、操作简单、原材料常见等特点。但是，制备磁性复合纳米氧化铁絮凝剂并将其应用于废水处理领域的还鲜有报道。

磁性复合纳米Fe₃O₄絮凝剂优于其他絮凝剂还体现在其具有磁性，能够方便地将其从液体溶液中分离出来。磁分离技术便是基于这样一种原理应运而生。

1974年瑞典等国开始用磁盘法处理轧钢废水。1976年日本用磁盘法处理平炉、转炉除尘污水，均取得良好效果。1977年美国和日本等国用高梯度磁过滤器处理钢铁工业废水，在滤速达170m/h的情况下，出水悬浮物＜15mg/L。

磁分离法的特点是：

(1)效率高，净化时间短。废水在磁盘工作区间仅需停留2-5s，通过全部流程仅需2min左右，净化效率可达到94％ 99.5％。

(2)占地面积小，只需一般沉淀池的5％左右。

(3)处理后污泥含水率低，易脱水。

(4)磁盘及其附属设备构造简单，运行可靠，维护方便。

发明内容

本发明提出了一种制备掺铝纳米Fe₃O₄絮凝剂的方法，目的在于制备出一种结构稳定、性能可靠、具有广阔应用前景的纳米絮凝剂。

本发明采用共沉淀法制备掺铝纳米Fe₃O₄复合絮凝剂，具体操作过程如下：

a.将FeCl₂和FeCl₃溶于超纯水中，在N₂保护下加入含氨25％～28％的氨水至体系pH值为9～12，搅拌转速为500～3000r/min；

b.待反应30～60min后，开始生成黑色沉淀，pH值开始下降时晶核生成反应基本结束；

c.将硫酸铝配制成0.1～0.9mol/L的溶液，按照加入的铝原子与合成体系中铁原子的摩尔比(Al/Fe)，将定量的硫酸铝溶液加入到四口烧瓶反应器中；

d.升温至50℃～80℃，反应30～200min，待冷却后分离、洗涤并干燥，即得粒径约为10～100nm的掺铝复合纳米Fe₃O₄絮凝剂。

本发明提出了一种将磁性纳米氧化铁絮凝剂从水中分离的磁分离方法，该方法所使用的磁分离设备主要由3部分组成，一是磁性纳米Fe₃O₄颗粒回收装置，二是动力装置，三是曝气和排水装置。利用电力带动磁分离磁盘，废水中的磁性复合纳米Fe₃O₄颗粒经过预磁化，形成磁种、磁絮体，被吸附在高效分离磁盘上。然后利用刮板把吸附在磁盘上磁性复合纳水Fe₃O₄颗粒从吸附磁盘上面刮掉。这样就充分保证了废水和磁性纳米Fe₃O₄颗粒的有效分离，同时利用磁盘的高效磁性对废水的浊度和色度去除有很大的提高，同时也有利于磁性纳米Fe₃O₄颗粒重复利用和收集。

附图说明

图1、图2、图3、图4分别为磁性复合纳米Fe₃O₄絮凝剂的TEM图、SEM图、XRD图和磁滞回线。

具体实施方式

实施例1

磁性复合纳米Fe₃O₄絮凝剂的制备

(1)称取0.01mol/L的FeCl₂·4H₂O和0.02mol/L的FeCl₃·6H₂O倒入到四口烧瓶反应器中，加入超纯水200ml；

(2)在N₂保护条件下，加入50ml质量分数为25％～28％的浓氨水至体系pH值＞10；

(3)待反应至黑色，按照加入的铝原子与合成体系中铁原子的摩尔比(Al/Fe)为0.5的比例加入Al₂(SO₄)₃·18H₂O，将温度升到50℃反应30min；

(4)将温度升至80℃，在1000r/min的搅拌速度下反应1小时；

(5)用强磁铁分离黑色固体，用超纯水与无水乙醇交替洗涤至中性，在70℃下真空干燥12小时，研磨即得磁性复合纳米Fe₃O₄絮凝剂。

实施例2

磁性复合纳米Fe₃O₄絮凝剂处理炼钢废水并用高效磁分离装置分离

按照100mg/L的投加量向炼钢废水中投加磁性复合纳米氧化铁絮凝剂，在300r/min的转速下快搅2min，再在40r/min的转速下慢搅10min，然后废水通过高效磁分离装置，经过预磁化，形成磁种、形成磁絮体，然后将纳米絮凝剂分离，测定出水浊度和COD值。结果显示，浊度和COD去除率分别达到95％和80％以上。

Claims

1.基于磁性复合纳米氧化铁絮凝剂对水中污染物质去除的高效性以及磁分离技术对于实现“固(磁性复合纳米氧化铁)液(污水)分离”的有效性，本发明提供了一种磁性复合纳米氧化铁絮凝剂的制备及水处理磁分离方法。

2.根据权利要求1所述的一种磁性复合纳米氧化铁絮凝剂的制备及水处理磁分离方法，其特征在于：为保证磁性复合纳米氧化铁絮凝剂对水中污染物质去除的高效性，pH值控制在9～12，温度为30～80℃，铁盐浓度为0.01～1.0mol/L、搅拌速度500～3000r/min，反应时间60～240min范围内，可制得所需粒径(10～100nm)、电性(带正电荷、负电荷)、形态(球形、针状、棒状、纺锤型等)且分散性能良好的磁性复合纳米氧化铁絮凝剂。

3.根据权利要求1所述的一种磁性复合纳米氧化铁絮凝剂的制备及水处理磁分离方法，其特征在于：为保证磁分离的有效性，需使磁性复合纳米氧化铁絮凝剂颗粒具有较大的饱和磁化强度和较小的剩余磁化强度以及矫顽力，在此条件下磁性复合纳米氧化铁颗粒显软磁性，易被磁化和去磁，易于固液分离。控制饱和磁化强度在50～80emu/g，剩余磁化强度在0.1～2.0emu/g，矫顽力在120～160A/m。

4.根据权利要求1所述的一种磁性复合纳米氧化铁絮凝剂的制备及水处理磁分离方法，其特征在于水处理磁分离应用过程为：①污染物去除，②预磁化，③形成磁种，④形成磁絮体，⑤磁分离，⑥消磁，⑦再生。

5.根据权利要求1所述的一种磁性复合纳米氧化铁絮凝剂的制备及水处理磁分离方法，其特征在于：利用本磁性复合纳米氧化铁絮凝剂处理水中铅、氟、砷等重金属，去除率达到80％～100％，浊度去除率达到90％以上，COD去除率达到70％～90％，色度去除率在97％以上，COD去除率达到60％～85％，毒性有机污染物去除率高达50％～80％。