CN102350300B - 降解多/杂环芳烃的仿酶型水处理剂及其制备方法 - Google Patents

降解多/杂环芳烃的仿酶型水处理剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种降解多/杂环芳烃的仿酶型水处理剂及其制备方法。其技术方案是：按质量比将膨润土∶去离子水为1∶(30～60)混匀，静置，取中间层，得纯化膨润土；再按质量比将纯化膨润土∶NaCl为1∶(1～2.5)混合，搅拌30～60min，得钠化膨润土；然后将1.5～5.0wt％钠化膨润土浆液加人到铝交联剂至体积比为(4～7)∶1，得铝柱撑膨润土；最后按质量比将铝柱撑膨润土∶去离子水∶溴化十六烷三甲基铵为1∶(40～100)∶(0.1～0.4)混合，加硫酸亚铁和三氯化铁至Fe2+∶Fe3+的物质量比为1∶(1.5～3)，通氮气，60～80℃搅拌10～15min，调pH至9～12，得降解多/杂环芳烃的仿酶型膨润土水处理剂。本发明具有去除效率高、能重复使用、低成本和绿色环保的效果。

Description

降解多/杂环芳烃的仿酶型水处理剂及其制备方法
技术领域
本发明属于水处理剂技术领域。具体涉及一种降解多/杂环芳烃的仿酶型水处理剂及其制备方法。
背景技术
焦化废水是很难处理的一类量大、化学成分十分复杂的有机工业废水，含有多种难以被微生物降解、高毒性的有机物及无机盐类，若排入水体，将会造成严重的水体污染和生态毒性。而当前的治理方法未能实现高效地处理这类水体中难降解有机物，或者部分能实现但又会产生二次新的污染，严重地影响这类废水的再生循环利用。
对焦化废水的传统处理采用生物处理法-活性污泥法，此法虽能有效去除焦化废水中的酚类物质，但对难生物降解有毒性的有机物和色度处理效果较差，处理后含有多环芳烃、杂环芳烃、羧酸类、长碳酮酸类、醇类、脂类等一百多种化合物，该类化合物具有硝基、酰基、磺酰胺基等发色基团及羟基、-OR、NR2等助色基团，很难达到废水再生回用标准。
催化氧化技术是一种能高效降解水体中难降解有毒有机污染物的绿色环境污染治理高级催化降解技术，其实质是在降解酶的作用下降解氧化芳烃有机物，利用TiO2和Fenton试剂催化降解多环芳烃，但存在TiO2催化剂回收困难及会产生大量含铁污泥等二次污染物，导致使用成本增加而限制了其实际应用。
磁分离技术能有效地解决催化剂回收利用，其主要利用磁性负载催化剂的纳米粒子在外加磁场的作用下很容易从样品中分离的特性。纳米磁催化剂主要集中在针铁矿(α-FeOOH)和磁赤铁矿(γ-Fe2O3)，而用于磁铁矿(Fe3O4)降解多环芳烃、杂环芳烃未见报道
发明内容
本发明旨在克服现有技术缺陷，目的在于提供一种去除效率高、能重复使用、低成本和绿色环保的用于降解焦化废水中多/杂环芳烃的仿酶型水处理剂及其制备方法。
为达到上述目的，本发明所用的制备降解多/杂环芳烃的仿酶型水处理剂的方法为以下步骤：
步骤一、将膨润土∶去离子水按质量比为1∶(30～60)混合均匀，置于反应釜中，在20～30℃和60～150r/min的条件下搅拌20～40min，静置8～12h，去掉上层，取中间层，然后于70～90℃干燥5～6h，压碎，即得纯化膨润土。
步骤二、将纯化膨润土∶氯化钠溶液按质量比为1∶(1～2.5)混合均匀，置于另一个反应釜中，在70～90℃恒温水浴中和60～150r/min的条件下搅拌30～60min；再进行液固分离，得固体，用去离子水洗涤所述固体至无氯离子；然后于100～120℃烘干、研磨，过200目筛，得钠化膨润土。
步骤三、以0.0005L/min的滴加速度向AlCl3溶液中滴加NaOH溶液，滴加至Al3+∶OH-的物质量比为1∶(2～2.5)，再以500～1000r/min搅拌1～4h，老化20～28h，制成铝交联剂。
步骤四、把钠化膨润土制成1.5～5.0wt％钠化膨润土浆液，在60～80℃条件下，以30滴/min的滴加速度向铝交联剂中滴加钠化膨润土浆液，滴加至钠化膨润土浆液∶铝交联剂的体积比为(4～7)∶1，；再以600～2000r/min搅拌20～40min，静置10～24h，离心，清洗，70～90℃干燥，制成铝柱撑膨润土。
步骤五、将铝柱撑膨润土∶去离子水∶溴化十六烷三甲基铵按质量比为1∶(40～100)∶(0.1～0.4)混合均匀，置于反应釜中，在60～80℃的水浴中和1000～2500r/min条件下搅拌40～70min。
再将硫酸亚铁和三氯化铁按照Fe2+∶Fe3+的物质量比为1∶(1.5～3)加入所述反应釜中，在氮气气氛和60～80℃水浴条件下，2000～4000r/min搅拌10～15min，得混合溶液。
然后在200～400r/min搅拌下，向所述混合溶液中逐滴加入NaOH溶液，滴加至pH为9～12；于60～80℃水浴中和600～1500r/min条件下搅拌1.5～3h，在40～60℃水浴中晶化1～2h；最后进行液固分离，去除上层清液，清洗，于70～90℃干燥12～24h，研磨，过200目筛，得到仿酶型膨润土水处理剂。
上述技术方案中：氯化钠溶液的浓度为0.15mol/L；NaOH溶液的浓度为1mol/L。
由于采用上述技术方案，本发明具有以下优点：
1、本发明利用价廉易得的膨润土，制备出仿酶型水处理剂成本低。
2、本发明利用仿酶型水处理剂的比表面积高、吸附能力强优点，使所制备的仿酶型膨润土水处理剂与污染物之间发生高效地催化反应，提高了对焦化废水中多/杂环芳烃的去除效率，处理后的水质能达到工业用水再生水的标准。
用该仿酶型水处理剂再生处理焦化厂二沉池后焦化废水，调废水的pH值为2～9，检测水质指标为COD和色度：COD去除率为60.23～93.18％；色度的去除率为41.21～82.43％。在pH值为6.5时，处理废水40min时，溶液的COD降至55mg/L；50min时，溶液的COD降至50mg/L，低于再生水质国家标准(COD≤60mg/L)，溶液的色度降至30；50min时，溶液的色度保持29，符合再生水质国家标准(色度≤30)。
3、本发明所制备的仿酶型水处理剂的产率为91.08～95.47％；4、本发明所制备的仿酶型水处理剂在pH值为2～9都有催化活性，对废水中的COD和色度有较高的去除效率。
5、本发明将纳米催化剂负载到改性膨润土上，利用磁分离技术，使仿酶型水处理剂容易回收重复使用，且能增强膨润土颗粒的强度和密度，减少膨润土和催化剂的损失，降低使用成本，实现仿酶型水处理剂绿色循环处理废水。
因此，本发明具有去除效率高、能重复使用、低成本和绿色环保的效果。
附图说明
图1为本发明的一种仿酶型水处理剂的XRD谱图；
图2是图1所示仿酶型水处理剂的SEM照片；
图3是图1所示仿酶型水处理剂的FTIR谱图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明左进一步的描述，并非对其保护范围的限制：实施例1
一种降解多/杂环芳烃的仿酶型水处理剂及其制备方法。其制备方法的步骤如下：
步骤一、将膨润土∶去离子水按质量比为1∶(30～40)混合均匀，置于反应釜中，在20～30℃和60～150r/min的条件下搅拌20～40min，静置8～12h，去掉上层，取中间层，然后于70～90℃干燥5～6h，压碎，即得纯化膨润土。
步骤二、将纯化膨润土∶氯化钠溶液按质量比为1∶(1～1.5)混合均匀，置于另一个反应釜中，在70～90℃恒温水浴中和60～150r/min的条件下搅拌30～60min；再进行液固分离，得固体，用去离子水洗涤所述固体至无氯离子；然后于100～120℃烘干、研磨，过200目筛，得钠化膨润土。
步骤三、以0.0005L/min的滴加速度向AlCl3溶液中滴加NaOH溶液，滴加至Al3+∶OH-的物质量比为1∶(2～2.15)，再以500～1000r/min搅拌1～4h，老化20～28h，制成铝交联剂。
步骤四、把钠化膨润土制成1.5～2.5wt％钠化膨润土浆液，在60～80℃条件下，以30滴/min的滴加速度向铝交联剂中滴加钠化膨润土浆液，滴加至钠化膨润土浆液∶铝交联剂的体积比为(4～5)∶1，；再以600～2000r/min搅拌20～40min，静置10～24h，离心，清洗，70～90℃干燥，制成铝柱撑膨润土。
步骤五、将铝柱撑膨润土∶去离子水∶溴化十六烷三甲基铵按质量比为1∶(40～60)∶(0.1～0.2)混合均匀，置于反应釜中，在60～80℃的水浴中和1000～2500r/min条件下搅拌40～70min。
再将硫酸亚铁和三氯化铁按照Fe2+∶Fe3+的物质量比为1∶(1.5～2.0)加入所述反应釜中，在氮气气氛和60～80℃水浴条件下，2000～4000r/min搅拌10～15min，得混合溶液。
然后在200～400r/min搅拌下，向所述混合溶液中逐滴加入NaOH溶液，滴加至pH为9～10；于60～80℃水浴中和600～1500r/min条件下搅拌1.5～3h，在40～60℃水浴中晶化1～2h；最后进行液固分离，去除上层清液，清洗，于70～90℃干燥12～24h，研磨，过200目筛，得到仿酶型膨润土水处理剂。
上述技术方案中：氯化钠溶液的浓度为0.15mol/L；NaOH溶液的浓度为1mol/L。
本实施例制备的降解多/杂环芳烃的仿酶型水处理剂。产率为92.03～94.28％。
用焦化厂二沉池后焦化废水为样品来测试该仿酶型水处理剂再生处理焦化废水的性能，调废水的pH值为2～9，检测水质指标为COD和色度：COD去除率为60.23～85.76％；色度的去除率为41.21～79.86％。在pH值为6.5时，处理废水40min时，溶液的COD降至58mg/L；50min时，溶液的COD降至54mg/L，低于再生水质国家标准(COD≤60mg/L)，溶液的色度降至30；50min时，溶液的色度保持30，符合再生水质国家标准(色度≤30)。
实施例2
一种降解多/杂环芳烃的仿酶型水处理剂及其制备方法。其制备方法的步骤如下：
步骤一、将膨润土∶去离子水按质量比为1∶(40～50)混合均匀，置于反应釜中，在20～30℃和60～150r/min的条件下搅拌20～40min，静置8～12h，去掉上层，取中间层，然后于70～90℃干燥5～6h，压碎，即得纯化膨润土。
步骤二、将纯化膨润土∶氯化钠溶液按质量比为1∶(1.5～2.0)混合均匀，置于另一个反应釜中，在70～90℃恒温水浴中和60～150r/min的条件下搅拌30～60min；再进行液固分离，得固体，用去离子水洗涤所述固体至无氯离子；然后于100～120℃烘干、研磨，过200目筛，得钠化膨润土。
步骤三、以0.0005L/min的滴加速度向AlCl3溶液中滴加NaOH溶液，滴加至Al3+∶OH-的物质量比为1∶(2.15～2.30)，再以500～1000r/min搅拌1～4h，老化20～28h，制成铝交联剂。
步骤四、把钠化膨润土制成2.5～3.5wt％钠化膨润土浆液，在60～80℃条件下，以30滴/min的滴加速度向铝交联剂中滴加钠化膨润土浆液，滴加至钠化膨润土浆液∶铝交联剂的体积比为(5～6)∶1，；再以600～2000r/min搅拌20～40min，静置10～24h，离心，清洗，70～90℃干燥，制成铝柱撑膨润土。
步骤五、将铝柱撑膨润土∶去离子水∶溴化十六烷三甲基铵按质量比为1∶(60～80)∶(0.2～0.3)混合均匀，置于反应釜中，在60～80℃的水浴中和1000～2500r/min条件下搅拌40～70min。
再将硫酸亚铁和三氯化铁按照Fe2+∶Fe3+的物质量比为1∶(2.0～2.5)加入所述反应釜中，在氮气气氛和60～80℃水浴条件下，2000～4000r/min搅拌10～15min，得混合溶液。
然后在200～400r/min搅拌下，向所述混合溶液中逐滴加入NaOH溶液，滴加至pH为10～11；于60～80℃水浴中和600～1500r/min条件下搅拌1.5～3h，在40～60℃水浴中晶化1～2h；最后进行液固分离，去除上层清液，清洗，于70～90℃干燥12～24h，研磨，过200目筛，得到仿酶型膨润土水处理剂。
上述技术方案中：氯化钠溶液的浓度为0.15mol/L；NaOH溶液的浓度为1mol/L。
本实施例制备的降解多/杂环芳烃的仿酶型水处理剂。产率为92.58～95.47％。
经扫描电子显微镜(SEM)、XRD、FTIR进行结构表征。如图1所示，通过XRD谱图分析样品中的含有纳米Fe3O4晶体；如图3所示，FTIR进一步证实为纳米Fe3O4特征吸收峰；如图2所示，SEM照片显示纳米Fe3O4颗粒均匀分布在改性膨润土表面。
用焦化厂二沉池后焦化废水为样品来测试该仿酶型水处理剂再生处理焦化废水的性能，调废水的pH值为2～9，检测水质指标为COD和色度：COD去除率为72.56～93.18％；色度的去除率为44.31～82.43％。在pH值为6.5时，处理废水40min时，溶液的COD降至55mg/L；50min时，溶液的COD降至50mg/L，低于再生水质国家标准(COD≤60mg/L)，溶液的色度降至30；50min时，溶液的色度保持29，符合再生水质国家标准(色度≤30)。
实施例3
一种降解多/杂环芳烃的仿酶型水处理剂及其制备方法。其制备方法的步骤如下：步骤一、将膨润土∶去离子水按质量比为1∶(50～60)混合均匀，置于反应釜中，在20～30℃和60～150r/min的条件下搅拌20～40min，静置8～12h，去掉上层，取中间层，然后于70～90℃干燥5～6h，压碎，即得纯化膨润土。
步骤二、将纯化膨润土∶氯化钠溶液按质量比为1∶(2.0～2.5)混合均匀，置于另一个反应釜中，在70～90℃恒温水浴中和60～150r/min的条件下搅拌30～60min；再进行液固分离，得固体，用去离子水洗涤所述固体至无氯离子；然后于100～120℃烘干、研磨，过200目筛，得钠化膨润土。
步骤三、以0.0005L/min的滴加速度向AlCl3溶液中滴加NaOH溶液，滴加至Al3+∶OH-的物质量比为1∶(2.3～2.5)，再以500～1000r/min搅拌1～4h，老化20～28h，制成铝交联剂。
步骤四、把钠化膨润土制成3.5～5.0wt％钠化膨润土浆液，在60～80℃条件下，以30滴/min的滴加速度向铝交联剂中滴加钠化膨润土浆液，滴加至钠化膨润土浆液∶铝交联剂的体积比为(6～7)∶1，；再以600～2000r/min搅拌20～40min，静置10～24h，离心，清洗，70～90℃干燥，制成铝柱撑膨润土。
步骤五、将铝柱撑膨润土∶去离子水∶溴化十六烷三甲基铵按质量比为1∶(80～100)∶(0.3～0.4)混合均匀，置于反应釜中，在60～80℃的水浴中和1000～2500r/min条件下搅拌40～70min。
再将硫酸亚铁和三氯化铁按照Fe2+∶Fe3+的物质量比为1∶(2.5～3)加入所述反应釜中，在氮气气氛和60～80℃水浴条件下，2000～4000r/min搅拌10～15min，得混合溶液。
然后在200～400r/min搅拌下，向所述混合溶液中逐滴加入NaOH溶液，滴加至pH为11～12；于60～80℃水浴中和600～1500r/min条件下搅拌1.5～3h，在40～60℃水浴中晶化1～2h；最后进行液固分离，去除上层清液，清洗，于70～90℃干燥12～24h，研磨，过200目筛，得到仿酶型膨润土水处理剂。
上述技术方案中：氯化钠溶液的浓度为0.15mol/L；NaOH溶液的浓度为1mol/L。
本实施例制备的降解多/杂环芳烃的仿酶型水处理剂。产率为91.08～93.23％。
用焦化厂二沉池后焦化废水为样品来测试该仿酶型水处理剂再生处理焦化废水的性能，调废水的pH值为2～9，检测水质指标为COD和色度：COD去除率为71.02～90.25％；色度的去除率为42.12～80.03％。在pH值为6.5时，处理废水40min时，溶液的COD降至57mg/L；50min时，溶液的COD降至53mg/L，低于再生水质国家标准(COD≤60mg/L)，溶液的色度降至30；50min时，溶液的色度保持29，符合再生水质国家标准(色度≤30)。
本具体实施方式具有以下优点：
1、本具体实施方式利用价廉易得的膨润土，制备出仿酶型水处理剂成本低。
2、本具体实施方式利用仿酶型水处理剂的比表面积高、吸附能力强优点，使所制备的仿酶型膨润土水处理剂与污染物之间发生高效地催化反应，提高了对焦化废水中多/杂环芳烃的去除效率，处理后的水质能达到工业用水再生水的标准。
用该仿酶型水处理剂再生处理焦化厂二沉池后焦化废水，调废水的pH值为2～9，检测水质指标为COD和色度：COD去除率为60.23～93.18％；色度的去除率为41.21～82.43％。在pH值为6.5时，处理废水40min时，溶液的COD降至55mg/L；50min时，溶液的COD降至50mg/L，低于再生水质国家标准(COD≤60mg/L)，溶液的色度降至30；50min时，溶液的色度保持29，符合再生水质国家标准(色度≤30)。
3、本具体实施方式所制备的仿酶型水处理剂的产率为91.08～95.47％；
4、本具体实施方式所制备的仿酶型水处理剂在pH值为2～9都有催化活性，对废水中的COD和色度有较高的去除效率。
5、本具体实施方式将纳米催化剂负载到改性膨润土上，利用磁分离技术，使仿酶型水处理剂容易回收重复使用，且能增强膨润土颗粒的强度和密度，减少膨润土和催化剂的损失，降低使用成本，实现仿酶型水处理剂绿色循环处理废水。
因此，本具体实施方式具有去除效率高、能重复使用、低成本和绿色环保的效果。

Claims (4)

1.一种降解多/杂环芳烃的仿酶型水处理剂的制备方法，其特征在于制备方法为如下步骤：
步骤一、将膨润土∶去离子水按质量比为1∶(30～60)混合均匀，置于反应釜中，在20～30℃和60～150r/min的条件下搅拌20～40min，静置8～12h，去掉上层，取中间层，然后于70～90℃干燥5～6h，压碎，即得纯化膨润土；
步骤二、将纯化膨润土∶氯化钠溶液按质量比为1∶(1～2.5)混合均匀，置于另一个反应釜中，在70～90℃恒温水浴中和60～150r/min的条件下搅拌30～60min；再进行液固分离，得固体，用去离子水洗涤所述固体至无氯离子；然后于100～120℃烘干、研磨，过200目筛，得钠化膨润土；
步骤三、以0.0005L/min的滴加速度向AlCl3溶液中滴加NaOH溶液，滴加至Al3+∶OH-的物质量比为1∶(2～2.5)，再以500～1000r/min搅拌1～4h，老化20～28h，制成铝交联剂；
步骤四、把钠化膨润土制成1.5～5.0wt％钠化膨润土浆液，在60～80℃条件下，以30滴/min的滴加速度向铝交联剂中滴加钠化膨润土浆液，滴加至钠化膨润土浆液∶铝交联剂的体积比为(4～7)∶1；再以600～2000r/min搅拌20～40min，静置10～24h，离心，清洗，70～90℃干燥，制成铝柱撑膨润土；
步骤五、将铝柱撑膨润土∶去离子水∶溴化十六烷三甲基铵按质量比为1∶(40～100)∶(0.1～0.4)混合均匀，置于反应釜中，在60～80℃的水浴中和1000～2500r/min条件下搅拌40～70min；
再将硫酸亚铁和三氯化铁按照Fe2+∶Fe3+的物质量比为1∶(1.5～3)加入所述反应釜中，在氮气气氛和60～80℃水浴条件下，2000～4000r/min搅拌10～15min，得混合溶液；
然后在200～400r/min搅拌下，向所述混合溶液中逐滴加入NaOH溶液，滴加至pH为9～12；于60～80℃水浴中和600～1500r/min条件下搅拌1.5～3h，在40～60℃水浴中晶化1～2h；最后进行液固分离，去除上层清液，清洗，于70～90℃干燥12～24h，研磨，过200目筛，得到仿酶型膨润土水处理剂。
2.根据权利要求1所述的降解多/杂环芳烃的仿酶型水处理剂制备方法，其特征在于所述的氯化钠溶液的浓度为0.15mol/L。
3.根据权利要求1所述的降解多/杂环芳烃的仿酶型水处理剂制备方法，其特征在于所述的NaOH溶液的浓度为1mol/L。
4.根据权利要求1～3项中任一项所述的降解多/杂环芳烃的仿酶型水处理剂制备方法所制备的降解多/杂环芳烃的仿酶型水处理剂。
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Degradation of sulfamonomethoxine with Fe3O4 magnetic nanoparticles as heterogeneous activator of persulfate;Jingchun Yan et al.;《Journal of Hazardous Materials》;20101213;第186卷;第1398-1404页 *
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