CN102423700A

CN102423700A - 利用镁铝碱式盐对高岭土改性制备重金属离子吸附剂的方法

Info

Publication number: CN102423700A
Application number: CN2011103151508A
Authority: CN
Inventors: 施周; 邓林; 陈世洋; 罗璐
Original assignee: Hunan University
Current assignee: Hunan University
Priority date: 2011-10-17
Filing date: 2011-10-17
Publication date: 2012-04-25
Anticipated expiration: 2031-10-17
Also published as: CN102423700B

Abstract

本发明提供了一种利用镁铝碱式盐对高岭土改性制备重金属离子吸附剂的方法，按以下步骤进行：1)将高岭土、镁铝溶液与NH₄HCO₃溶液按质量比为3～5∶6～10∶1的比例混合并搅拌均匀，同时滴加Na₂CO₃调pH值到7.5～8.5之间，得混合液；2)将所述混合液置于恒温水浴锅中，在50℃～70℃静置陈化12h-24h，过滤去上清液，得混合物；3)将所述混合物烘干、冷却后研磨至粉末状即可。本发明所述的重金属离子吸附剂的制备方法简单、制备成本较低，适合工业化生产；此外通过前期的实验表明，经本方法改性制备所得的吸附剂对重金属离子的吸附量明显增大，约为原高岭土的2～10倍，且吸附效果受pH值的影响很小，适用于实际工业生产过程中产生的不同pH值的含重金属废水的处理。

Description

利用镁铝碱式盐对高岭土改性制备重金属离子吸附剂的方法

技术领域

本发明涉及一种吸附剂的制备方法，进一步是指利用镁铝碱式盐([Mg_0.25Al_0.75(OH)₂]^0.75+(NO₃ ^-)_0.75·mH₂O)对高岭土改性制备重金离子吸附剂的方法。

背景技术

随着采矿、电镀、化工、制革、冶炼等行业的发展，大量未经妥善处理工业废水的排放导致水体重金属污染加剧。由于重金属不易采用物理、化学或生物方法使其分解破坏，而只能转移其存在的位置或改变其物理和化学形态，且其具有富集性，因此，对生态环境及人体健康危害极大。对此，世界各国颁布的各类水质标准中对重金属离子的含量均提出了严格的限制要求。研发经济高效的重金属去除方法迫在眉睫。

目前去除水中重金属离子的方法一般有：混凝法、化学沉淀法、膜分离法、离子交换树脂法、生物法、吸附法等。混凝法是利用投加混凝剂所形成的絮体吸附去除重金属离子，该法需消耗较大量的混凝剂，成本较高，常规水质条件下重金属离子的去除效果不理想；化学沉淀法是把重金属离子转化成难溶于水的硫化物或氢氧化物等盐类后进行沉淀去除，具有流程简单、处理成本低等优点，但渣量大、含水率高、脱水困难，且有二次污染的风险，而且由于该法所基于溶度积的原理，它无法处理重金属离子浓度较低的废水；膜分离法是利用膜的选择性，以膜两侧存在的能量差作为推动力，允许某些组分透过而保留混合物中其他组分，从而达到分离目的的技术，它能有效的去除水中的重金属离子，但处理成本很高；离子交换树脂法是通过离子交换树脂将溶于水中的重金属离子交换到树脂中，以此去除或回收重金属离子，但离子交换树脂价格昂贵，且再生需消耗大量药剂；生物法是生物体借助物理、化学作用吸附重金属离子，具有节能、处理效率高、易于分离回收重金属等优点，但生物法需要进行生物的引种、培养以及营养物质补给，运行操作不便；而且当重金属离子浓度较高时，会对生物产生毒副作用，引起生物反应效率降低甚至失效；吸附法是利用多孔性固态物质吸附去除水中污染物的一种传统方法，具有原料来源多样，使用操作简便、可再生等优点，目前应用较广，但适用于重金属去除的高效、经济的重金属离子吸附剂尚不多见。

综上所述，水中重金属去除方法在净化效率、使用方便及经济效益等方面还存在诸多问题。开发高效、价格低廉的重金属离子吸附剂及相关技术已成为环保领域的当务之急。

高岭土为一种资源丰富、价格低廉的天然矿物材料，作为潜在的吸附剂已越来越引起人们的关注。高岭土主要矿物成分是高岭石和多水高岭石，其主要化学成分是Al₂O₃、SiO₂，此外还含有少量的Fe₂O₃、TiO₂以及微量的K₂O、Na₂O、CaO和MgO等。高岭土在水中能分散成颗粒带负电的胶态悬浮液。由于高岭土的典型孔结构是平行壁和狭缝状的毛细孔，孔分布范围广，主要以大孔和微孔为主，但数量较少，孔体积和比表面积较低，离子交换能力较小，吸附能力很难达到直接用于重金属污染处理的要求。但高岭土颗粒较小，具有很大的残缺表面，层间结合能力较弱，因此提供了应用物理、化学等处理方法改变其形态和结构，从而提高其重金属吸附去除能力的可能性。

镁铝碱式盐具有一定的重金属吸附能力，但它是一种不溶于水的晶体物质，粒度大，分散性差，且不能悬浮分散在液相溶液中，影响其对重金属的吸附性能。本发明将由Mg(NO₃)₂·6H₂O和Al(NO₃)₃·9H₂O形成的带正电荷的镁铝碱式盐小晶粒沉积分散在高岭土颗粒上，以增大镁铝碱式盐在液相中的分散度，使高岭土对重金属的吸附能力得到极大的改善和提高。

发明内容

本发明的目的是提供一种重金属离子吸附剂的制备方法，该方法利用镁铝碱式盐([Mg_0.25Al_0.75(OH)₂]^0.75+(NO₃ ^-)_0.75·mH₂O)对高岭土改性制备重金离子吸附剂。本发明的改性高岭土重金属离子吸附剂对水中重金属离子的去除具有高效低能耗、经济环保、便于工业化生产等优点。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种利用镁铝碱式盐对高岭土改性制备重金属离子吸附剂的方法，按以下步骤进行：

1)将高岭土、镁铝溶液、NH₄HCO₃溶液按质量比为3～5∶6～10∶1的比例混合并搅拌均匀，同时滴加Na₂CO₃调pH值到7.5～8.5之间，得混合液；

其中镁铝溶液是指用Mg(NO₃)₂·6H₂O和Al(NO₃)₃·9H₂O配制成的含有Mg²⁺和Al³⁺的溶液，镁铝溶液中Mg²⁺和Al³⁺的摩尔浓度比为2.5～3.5∶1，镁铝溶液中Al³⁺的摩尔浓度为0.2mol·L^-1～0.28mol·L^-1；

2)将所述混合液置于恒温水浴锅中，在50℃～70℃静置陈化12h-24h，过滤去上清液，得混合物；

3)将所述混合物烘干、冷却后研磨至粉末状即可。

所述高岭土由天津市科密欧化学试剂开发中心提供。

步骤1)所述高岭土、镁铝溶液与NH₄HCOx溶液的重量份之比优选为：高岭土∶镁铝溶液∶NH₄HCO₃溶液＝5∶10∶1。

步骤1)所述镁铝溶液中Mg²⁺和Al³⁺的摩尔浓度比优选为3∶1，镁铝溶液中Al³⁺的摩尔浓度优选为0.25mol·L^-1。

步骤1)所述Na₂CO₃的摩尔浓度优选为1mol·L^-1。

步骤1)所述pH值优选为8。

步骤2)优选在60℃静置陈化24h。

步骤3)是在115℃-125℃的恒温烘箱中烘干22h-25h，优选在120℃的恒温烘箱中烘干24h。

步骤3)优选研磨至粉末状后过100目筛子筛分。

所述重金属离子优选为铬离子和锑离子。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

1、本发明的制备方便简单，且制备成本较低，适用于工业化生产。

2、用本发明的方法制备的重金属离子吸附剂对重金属离子的吸附量明显增大，约为原高岭土的2～10倍，且吸附效果受pH值的影响很小，适用于实际工业生产过程中产生的不同pH值的含重金属废水的处理。

附图说明

图1显示了利用扫描电镜测定的未经改性的高岭土微观形貌特征。

图2显示了利用扫描电镜测定的本发明所述的重金属离子吸附剂微观形貌特征。

图1、图2所用仪器为日本JEOL公司生产的JSM-5600LV型扫描电子显微镜。

由图1-2可知，高岭土表面颗粒较小，堆叠紧密，且颗粒间孔隙较小；而经改性过后的高岭土颗粒间孔隙增多、变大，且高岭土颗粒表面被镁铝碱式盐所覆盖，这使得高岭土表面覆盖了大量OH等活性基团，极大的增强了其对重金属离子的吸附去除能力。

具体实施方式

实施例1：本发明所述重金属离子吸附剂的制备

称取15g高岭土，用Mg(NO₃)₂·6H₂O和Al(NO₃)₃·9H₂O分别配制Mg²⁺、Al³⁺摩尔浓度分别为0.75mol·L^-1、0.25mol·L^-1溶液各100mL，称取3g NH₄HCO₃；将高岭土、镁铝溶液、NH₄HCO₃溶液充分混合后置于磁力搅拌器上搅拌均匀，并缓慢滴加1mol·L^-1的Na₂CO₃溶液直至混合液的pH值为8.0；然后置于恒温水浴锅中静置陈化24h(陈化温度60℃)，后经过滤滤去上清液；最后将过滤后的混合物移入120℃的恒温烘箱中烘干24h；待自然冷却后研磨至粉末状并过100目筛，即制得重金属离子吸附剂。

实施例2：本发明所述重金属离子吸附剂的制备

称取14g高岭土，用Mg(NO₃)₂·6H₂O和Al(NO₃)₃·9H₂O分别配制Mg²⁺、Al³⁺摩尔浓度分别为0.7mol·L^-1、0.20mol·L^-1溶液各100mL，称取3g NH₄HCO₃；将高岭土、镁铝溶液、NH₄HCO₃溶液充分混合后置于磁力搅拌器上搅拌均匀，并缓慢滴加1mol·L^-1的Na₂CO₃溶液直至混合液的pH值为7.8；然后置于恒温水浴锅中静置陈化12h(陈化温度50℃)，后经过滤滤去上清液；最后将过滤后的混合物移入110℃的恒温烘箱中烘干25h；待自然冷却后研磨至粉末状并过100目筛，即制得重金属离子吸附剂。

实施例3：本发明所述重金属离子吸附剂的制备

称取9g高岭土，用Mg(NO₃)₂·6H₂O和Al(NO₃)₃·9H₂O分别配制Mg²⁺、Al³⁺摩尔浓度分别为0.6mol·L^-1、0.20mol·L^-1溶液各100mL，称取3g NH₄HCO₃；将高岭土、镁铝溶液、NH₄HCO₃溶液充分混合后置于磁力搅拌器上搅拌均匀，并缓慢滴加1mol·L^-1的Na₂CO₃溶液直至混合液的pH值为7.5；然后置于恒温水浴锅中静置陈化24h(陈化温度70℃)，后经过滤滤去上清液；最后将过滤后的混合物移入115℃的恒温烘箱中烘干22h；待自然冷却后研磨至粉末状并过100目筛，即制得重金属离子吸附剂。

实施例4：本发明所述重金属离子吸附剂的应用

本发明以铬、锑两种重金属离子为例，考察评价实施例1所制备的重金属离子吸附剂(以下简称改性高岭土)对重金属离子的去除效果。

1、原高岭土及改性高岭土对不同浓度Cr(VI)的吸附性能

用重铬酸钾(K₂Cr₂O₇)配制200mg·L^-1、50mg·L^-1、10mg·L^-1的高、中、低浓度的含铬废水，分别量取50mL于100mL的塑料瓶中。对应高中低浓度的废水中分别加入0.80g、0.20g、0.05g改性高岭土，混合均匀后置于转速150rpm、温度298K的摇床中，连续振荡1h后取出，离心后取上清液，稀释测定剩余Cr(VI)浓度。同时在相同条件下做一组原高岭土的吸附对比实验，实验结果如表1所示：

表1 高岭土和改性高岭土对溶液中Cr(VI)的吸附去除

由表1可知，高岭土经本法改性处理后对Cr(VI)的吸附去除率得以大幅提升。

2、原高岭土及改性高岭土对不同浓度Sb(III)的吸附性能

用酒石酸锑钾(K(SbO)C₂H₄O₆·1/2H₂O)配制100mg·L^-1、50mg·L^-1、10mg·L^-1的含锑废水，分别量取50mL于100mL的塑料瓶中。对应高中低浓度的废水中分别加入0.80g、0.20g、0.05g改性高岭土，混合均匀后置于转速150rpm、温度298K的摇床中，连续振荡1h后取出，离心后取上清液，测定剩余Sb(III)浓度。同时在相同条件下做一组高岭土的吸附对比实验，实验结果如表2所示：

表2 高岭土和改性高岭土对溶液中Sb(III)的吸附去除

由表2可知，同样地，高岭土经本法改性处理后对Sb(III)的吸附去除率得以大幅提升。

总之，由上述两组实验可知，较未改性之前，经本方法改性的高岭土对Cr(VI)、Sb(III)的吸附能力明显增强，约为未改性之前的2～10倍，且对高浓度的重金属废水表现出更强的吸附性能。进一步的实验证明该改性高岭土能在较宽的pH范围内使用。

Claims

1.利用镁铝碱式盐对高岭土改性制备重金属离子吸附剂的方法，其特征是，按以下步骤进行：

1)将高岭土、镁铝溶液与NH₄HCO₃溶液按质量比为3～5∶6～10∶1的比例混合并搅拌均匀，同时滴加Na₂CO₃调pH值到7.5～8.5之间，得混合液；

3)将所述混合物烘干、冷却后研磨至粉末状即可。

2.根据权利要求1所述利用镁铝碱式盐对高岭土改性制备重金属离子吸附剂的方法，其特征是，步骤1)所述高岭土、镁铝溶液与NH₄HCO₃溶液的重量按质量比为5∶10∶1的比例混合。

3.根据权利要求1所述利用镁铝碱式盐对高岭土改性制备重金属离子吸附剂的方法，其特征是，步骤1)所述镁铝溶液中Mg²⁺和Al³⁺的摩尔浓度比为3∶1，镁铝溶液中Al³⁺的摩尔浓度为0.25mol·L^-1。

4.根据权利要求1所述利用镁铝碱式盐对高岭土改性制备重金属离子吸附剂的方法，其特征是，步骤1)所述Na₂CO₃的摩尔浓度为1mol·L^-1。

5.根据权利要求1所述利用镁铝碱式盐对高岭土改性制备重金属离子吸附剂的方法，其特征是，步骤1)所述pH值为8。

6.根据权利要求1所述利用镁铝碱式盐对高岭土改性制备重金属离子吸附剂的方法，其特征是，步骤2)是在60℃静置陈化24h。

7.根据权利要求1所述利用镁铝碱式盐对高岭土改性制备重金属离子吸附剂的方法，其特征是，步骤3)是在115℃-125℃的恒温烘箱中烘干22h-25h。

8.根据权利要求1所述利用镁铝碱式盐对高岭土改性制备重金属离子吸附剂的方法，其特征是，步骤3)是在120℃的恒温烘箱中烘干24h。

9.根据权利要求1所述利用镁铝碱式盐对高岭土改性制备重金属离子吸附剂的方法，其特征是，步骤3)研磨至粉末状后过100目筛子筛分。

10.根据权利要求1所述利用镁铝碱式盐对高岭土改性制备重金属离子吸附剂的方法，其特征是，所述重金属离子为铬离子和锑离子。