CN102357323B

CN102357323B - 一种纳米氧化铁改性石英砂滤材及其制备方法

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Publication number: CN102357323B
Application number: CN201110194377.1A
Authority: CN
Inventors: 李冬梅; 黄辉; 叶挺进; 蒋树贤; 任毅; 黄明珠
Original assignee: Guangdong University of Technology
Current assignee: Guangdong University of Technology
Priority date: 2011-07-12
Filing date: 2011-07-12
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2031-07-12
Also published as: CN102357323A

Abstract

本发明公开了一种纳米氧化铁改性石英砂滤材及其制备方法。该滤材包括石英砂载体及包裹于所述载体上的纳米氧化铁吸附层,整体为瘤球状。石英砂载体粒半径大小为500～1200um。纳米氧化铁吸附层主要由FeO₃颗粒组成，厚度为25～65um,滤材表面孔隙孔径的大小为0.2～1.0um。本滤材通过将经预处理的石英砂用纳米Fe₂O₃溶液改性制得。经BET比表面积测定显示，本滤材的比表面积较普通的氧化铁改性石英砂提高10倍，较未改性的石英砂比表面积提高100倍以上，极大提高了滤料的吸附容量，对于吸附纳米级的污染颗粒更有效。且制备工艺方法简单，生产成本低廉。

Description

一种纳米氧化铁改性石英砂滤材及其制备方法

技术领域

本发明涉及改性石英砂滤材，具体涉及一种纳米氧化铁改性石英砂滤材及其制备方法。

背景技术

随着检测手段的进步和水中有机物检出种类的增加，饮用水标准对有机物的种类和含量作了越来越严格的限制。新水质标准总共增加了71项指标，而有机化合物指标增加比例占70%。而微污染有机物指标，尤其是低分子量溶解性有机物、纳米级污染物是水处理领域的难点问题之一。解决上述问题的关键是强化过滤技术中的滤材。影响滤材过滤吸附效果的因素主要有，石英砂载体粒半径的大小；吸附层的组成，吸附层厚度、表面孔隙孔径的大小等。如何设计和制备一种适应微污染物去除，且制备工艺简单，生产成本低的滤材是目前业界亟待解决的关键问题。

目前国内外研制的各种新型滤料都是朝着改善滤料表面特性来进行，即将传统滤料进行改性来提高滤料表面的截污能力。其中，通过化学反应附着一层活性氧化剂作为改性剂的改性滤料，能够有效提高滤料对某些特殊物质的吸附能力，并增强滤池的截污能力，从而有效去除水中的重金属离子、有机物、细菌和病毒、藻类等多种有毒有害的微污染物质，改善水质。有实验证明，在诸多改性滤料中，氧化铁改性石英砂滤材对有机物的去除率最高，吸附时间最短。美国环保局已经提出将氧化铁改性石英砂滤材作为一个新兴的除砷过滤技术用于供水设施。但采用纳米材料如纳米氧化铁等作为改性剂，用于制备纳米改性滤料方面的内容，国内外还尚未见诸报道。

改性滤料的原理是根据物理化学理论，比表面积较大的固体常常是不稳定的，当条件许可时，总是要吸附一些细小的颗粒，以表面变为平滑和无活性达到稳定。当改性剂粘附在滤料上时，无数的微型颗粒堆积在滤料表面,造成比原滤料大得多的比表面积，并呈多孔状，这种大比表面积将形成其良好的吸附性能。同时滤料等电点(PZC)时的pH值由于原来的0.7～2.2提高到了7.5～10.3左右，使得改性滤料在中性水的环境下带正电，又由于大部分水中的颗粒表面都带有负电荷，这十分有利于去除微污染水中的有机物。表1为普通滤料和改性滤料的性能对比情况。

改性滤料只需更换滤料，不需添加任何药剂，即可达到去除水中有机物和悬浮颗粒的双重目的，这种做法比较适合我国目前给水处理的现状。

当今，氧化铁改性石英砂滤材的制备方法主要有反复沉淀法和加热蒸发法。其中反复沉淀法是通过金属盐与碱反应生成金属氢氧化物沉淀，然后变成金属氧化物；而加热蒸发法则是通过加热使金属盐水解产生氢氧化物沉淀，然后再转变成为金属氧化物附着在滤料表面上。已有的研究成果显示：反复沉淀法容易控制，易于实现，且吸附容量大，但所得的覆盖层容易脱落；加热蒸发法比反复沉淀法制备出的滤料附着强度要高，其表面形成的物质更有利于静电吸附作用的发挥，但所得滤材的吸附容量仍不理想。上述技术主要存在以下几个急需解决的瓶颈问题：包括吸附容量不足、反冲洗脱附难、附着强度不强、负载量较低、表面孔径、吸附污染物种类单一等，从而影响了氧化铁改性石英砂滤材的实际应用和推广。

发明内容

本发明的目的是提供一种纳米氧化铁改性石英砂滤材，用于吸附纳米级污染物，特别适用于饮用水的净化处理。

本发明的纳米氧化铁改性石英砂滤材，包括石英砂载体及包裹于所述载体上的纳米氧化铁吸附层，所述的滤材为瘤球状，石英砂载体粒半径大小为500～1200 um；所述纳米氧化铁吸附层厚为25～65um，滤材表面孔隙孔径的大小为0.2～1um。

所述纳米氧化铁吸附层主要由FeO₃颗粒组成。

所述FeO₃颗粒粒径大小为0.1～0.8um。

本发明所述的瘤球状是指表面布满不规则颗粒体，凹凸不平的球状体。

本发明所述旳滤材通过如下方法制备，该方法包括以下步骤：

一、未改性石英砂预处理：

筛取粒直径范围为0.5～1.2mm的石英砂，清洗除杂质，烘干备用。

二、表面改性处理：

1.将上述备用的石英砂与质量浓度为65.8g/L旳改性剂纳米Fe₂O₃溶液混合；其中，改性剂投加量与石英砂质量的比值为0.1～0.2 mL /g；混和体恒温水浴加热烘干；

2.将烘干后的混合体在250～450℃的温度下，煅烧2～4h；

3.取出煅烧物，冷却至室温，冲洗除去未负载上的纳米氧化铁颗粒，至中性后烘干，得目标产物。

其中，所述旳未改性石英砂预处理步骤还包括清洗除杂质后旳酸洗步骤，具体是：所述旳未改性石英砂经清洗除杂质后用0.1-0.6mol/L的HCl溶液酸浸24-50h, 冲洗去酸至中性。

所述旳改性剂纳米Fe₂O₃溶液为纳米Fe₂O₃醇或酮分散液。

所述旳4.2.1 步骤中, 混和体经搅拌均匀后恒温水浴加热,同时搅拌5～10h,烘干。

所述旳搅拌速度为100r·min^-1,所述的烘干温度为110℃。

氧化铁颗粒尺寸小到纳米级（1～100nm）时，其表面原子数、比表面积和表面能等均随着粒径的减小而急剧增加，从而表现出小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应等特点，具有良好的光学性质、磁性、催化性能等，在光吸收、医药、磁介质及催化等方面具有广泛的应用。

目前国内外所有的学者有关IOCS的研究均是采用普通的FeCl₃、Fe(NO₃)₃等改性剂制备获得的，而采用纳米Fe₂O₃改性石英砂国内外还未见诸报道。纳米Fe₂O₃作为纳米材料，具有传统固体所不具备的许多特殊基本性质，如表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观隧道效应和界电限域效应等。就吸附性能而言，纳米Fe₂O₃由于有大的比表面积和表面原子配位不足，与相同材质的大块材料相比，对非电解质、电解质都有很强的吸附特性。纳米Fe₂O₃表面带正电荷，而且还有磁性，能吸附带负电荷的有机污染物和磁性的重金属。

经BET比表面积测定结果显示，纳米氧化铁改性石英砂滤材的比表面积较普通的氧化铁改性石英砂比表面积提高10倍，较未改性的石英砂比表面积提高100倍以上，极大提高了滤料的吸附容量，表面孔隙尺寸达纳米级，对于吸附纳米级的污染颗粒更有效。且制备工艺方法简单，生产成本低廉。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是未改性石英砂滤材放大5000倍的SEM扫描电镜图。

图3是普通氧化铁改性石英砂放大5000倍的SEM扫描电镜图。

图4是纳米氧化铁改性石英砂放大40000倍的SEM扫描电镜图。

具体实施方式

实施例1

实施例1旳制备方法：

（一）未改性石英砂预处理：

1、用孔径分别为0.5 mm和1.2mm的筛网筛选天然未经处理的石英砂，获得直径范围为0.5～1.2mm的待表面预处理石英砂滤料。

2、用自来水反复冲洗干净，清除其表面污染物及其它杂质，烘干。

3、用0.1mol/L的HCl溶液酸浸24h。

4、再用蒸馏水冲洗干净，至PH值中性后停止冲洗，烘干备用。

（二）改性剂：采用质量浓度为65.8g/L旳纳米Fe₂O₃醇分散液。

（三）表面改性处理：

1、将上述备用的未改性石英砂50g与纳米Fe₂O₃醇分散液混合。其中，改性剂投加量与未改性石英砂质量的比值为C₂=0.1mL/g。搅拌均匀后于恒温水浴锅中水浴加热5h，边加热边搅拌，搅拌速度为100r·min^-1,然后烘干。

2、将烘干后的混合体在250℃的温度下，煅烧4h。

3、取出后冷却至室温，用蒸馏水冲洗去改性后石英砂表面未负载上的纳米氧化铁颗粒，直至洗出液呈中性，烘干，获得纳米氧化铁改性石英砂滤材。

实施例2

实施例2旳制备方法：

按实施例1旳方法步骤进行，其中，酸洗旳浓度改为0.6mol/L, 酸浸时间改为50h, 改性剂采用质量浓度为65.8g/L旳纳米Fe₂O₃酮分散液。在表面改性处理步骤中, 水浴锅中水浴加热的时间为10h, 混合体在450℃的温度下，煅烧2h。

选取上述实施例1中的样品适量，通过扫描电子显微镜（SEM）放大5000倍对样品表面进行观察，其结构如图1所示，包括石英砂载体1及包裹于所述载体上的纳米氧化铁吸附层2。石英砂载体1粒半径大小为500～1200um。纳米氧化铁吸附层2厚为25～65um，主要由FeO₃颗粒3组成，FeO₃颗粒3粒径大小为0.1～0.8um。滤材表面孔隙4孔径的大小为0.2～1.0um。

对照例普通改性石英砂的制备方法：

（一）、制备改性剂：浓度为2mol/L的FeCl₃溶液。

称取108.116g的FeCl₃·6H₂O（分析纯，M=270.29），置于100ml的烧杯中，倒入50ml左右的双蒸水，并在1500w的电炉上加热溶解5分钟，冷却至室温，用玻璃杯引流至200ml 的容量瓶，再用双蒸水稀释定溶至200ml，获得改性剂。

（二）、表面改性处理：

1、称取上述未改性石英砂50g，在250ml烧杯中将其与改性剂混合。其中，改性剂投加量与未改性石英砂质量的比值：C₁=0.25 mL/g。充分搅拌后置于110℃烘箱中烘干24h，烘干过程中不对混合液进行任何搅拌。

2、将烘干后的混合体转移至电阻炉中，在煅烧温度T=250℃，煅烧时间t=4h的条件下高温煅烧。

3、取出后冷却至室温，用蒸馏水冲洗去改性后石英砂表面未负载上的氧化铁颗粒，直至洗出液呈中性，再置110℃烘箱中烘干，获得普通氧化铁改性石英砂滤材。

取本发明的纳米氧化铁改性石英砂滤材、未改性石英砂、普通氧化铁改性石英砂滤材用金埃谱BET比表面积测试仪(F-Sorb 2400)进行测定，结果如下表所示：

从上表可以看出，本发明纳米氧化铁改性石英砂的比表面积较普通的氧化铁改性石英砂比表面积提高10倍，较未改性的石英砂比表面积提高100倍以上，极大提高了滤料的吸附容量，具有优良的吸附能力。

将未改性石英砂、普通氧化铁改性石英砂、纳米氧化铁改性石英砂三种滤材置SEM扫描电镜下检视，分别如图2、图3、图4所示。上述图片可以看出，纳米氧化铁改性石英砂滤材的表面在电镜放大40000倍条件下观察仍然具有十分密集的孔隙，具有极高的吸附容量。

Claims

1.一种纳米氧化铁改性石英砂滤材，包括石英砂载体及包裹于所述载体上的纳米氧化铁吸附层，其特征在于：所述的滤材为瘤球状，所述石英砂载体的粒半径大小为500～1200μm；所述纳米氧化铁吸附层厚为25～65μm，滤材表面孔隙孔径的大小为0.2～1μm，所述纳米氧化铁吸附层主要由Fe₂O₃颗粒组成，所述Fe₂O₃颗粒粒径大小为0.1～0.8μm，所述的瘤球状是指表面布满不规则颗粒体，凹凸不平的球状体，

所述的纳米氧化铁改性石英砂滤材，其制备方法包括以下步骤：

4.1未改性石英砂预处理：

筛取粒直径范围为0.5～1.2mm的石英砂，清洗除杂质，烘干备用；

4.2表面改性处理：

4.2.1将上述备用的石英砂与质量浓度为65.8g/L的改性剂纳米Fe₂O₃溶液混合；其中，改性剂投加量与石英砂质量的比值为0.1～0.2mL/g；混合体恒温水浴加热烘干；

4.2.2将烘干后的混合体在250～450℃的温度下，煅烧2～4h；

4.2.3取出煅烧物，冷却至室温，冲洗除去未负载上的纳米氧化铁颗粒，至中性后烘干，得目标产物，

所述的改性剂纳米Fe₂O₃溶液为纳米Fe₂O₃醇或酮分散液。

2.如权利要求1所述的纳米氧化铁改性石英砂滤材，其特征在于，所述的未改性石英砂预处理步骤还包括清洗除杂质后的酸洗步骤，具体是：所述的未改性石英砂经清洗除杂质后用0.1～0.6mol/L的HCl溶液酸浸24-50h，冲洗去酸至中性。

3.如权利要求1所述的纳米氧化铁改性石英砂滤材，其特征在于，所述的4.2.1步骤中，混合体经搅拌均匀后恒温水浴同时搅拌加热5～10h，烘干。

4.如权利要求1所述的纳米氧化铁改性石英砂滤材，其特征在于，所述的搅拌的速度为100r·min^-1，所述的烘干的温度为110℃。