CN102728300A - 一种掺杂二氧化锰的复合磁纳米吸附剂及其制备方法、应用 - Google Patents
一种掺杂二氧化锰的复合磁纳米吸附剂及其制备方法、应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种掺杂二氧化锰的复合磁纳米吸附剂及其制备方法、应用，所述吸附剂包括以下原料：铁盐、亚铁盐、二价锰盐，其中，所述铁盐、亚铁盐、二价锰盐三者物质的量比为2：（0.5～3.0）：（0.02～0.6）。本发明制备的吸附剂具有较大的比表面积和良好的吸附性能，可用于去除污水中砷（特别是三价砷）等污染物，吸附了污染物的吸附剂可用磁分离方法进行分离回收。本发明工艺简单，操作方便，材料易于回收，可循环利用。
Description
技术领域
本发明涉及一种掺杂二氧化锰的复合磁纳米吸附剂及其制备方法、应用，属于水处理及再生应用技术领域。
背景技术
砷是剧毒元素之一，近年来地下水砷的污染已经引起人们广泛的关注。我国的台湾、新疆和内蒙古等地区地下水砷含量严重超标，砷含量最高可达2000μg/L；国际上地下水砷污染严重的国家有印度、孟加拉国、越南、阿根廷、智利、墨西哥、匈牙利等。长期的砷暴露可引起皮肤、肺、肝、肾和膀胱的癌变。世界卫生组织（WHO）、欧盟、美国、日本等国家针对饮用水中砷含量制定了越来越严的标准，我国已从2007年7月1日开始实施严格的10μg/L的城市供水砷标准。面对世界范围及我国不断发现的新的含砷病区和愈来愈严格的饮用水含砷标准，现实需要对饮用水除砷技术和材料提出了更高的要求，同时也形成了巨大的技术和产品市场。
目前，用于除砷的方法主要有混凝、沉淀、吸附、离子交换、生物降解、反渗透及电渗析等，大多数吸附材料对五价砷（As（Ⅴ））有较好的去除作用，但对三价砷（As（Ⅲ））去除作用较差。研究表明，As（Ⅲ）的毒性是As（Ⅴ）的60倍以上，且As（Ⅲ）的去除远较As（Ⅴ）困难。目前常用的除砷材料中，成本低廉的材料通常对砷的吸附容量较小，而具有较高吸附容量的材料往往成本过高，从而限制了除砷材料的应用推广。纳米材料因其大的比表面积和高的吸附容量受到人们的广泛关注，但将纳米材料应用于水处理，分离成为一个难题。因此，研究开发成本低廉、对As（Ⅲ）和As（Ⅴ）均具有良好去除效果且能很好从水中分离的新型纳米吸附材料是目前国内外研究和技术开发的热点和难点问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种掺杂二氧化锰的复合磁纳米吸附剂及其制备方法、应用，本发明将纳米二氧化锰掺杂在γ-Fe2O3磁性纳米颗粒中，锰的掺入量为0.2%～6.5%，可实现对As（Ⅲ）等污染物的高效去除，在外磁场作用下，吸附了污染物的吸附剂可以从水中分离出来，重复利用。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种掺杂二氧化锰的复合磁纳米吸附剂，所述吸附剂包括以下原料：铁盐、亚铁盐、二价锰盐，其中，所述铁盐、亚铁盐、二价锰盐三者物质的量比为2：（0.5～3.0）：（0.02～0.6）。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述铁盐包括氯化铁、硝酸铁、硫酸铁中的任意一种；
进一步，所述亚铁盐包括氯化亚铁、硝酸亚铁、硫酸亚铁中的任意一种；
进一步，所述二价锰盐包括氯化锰、硫酸锰、硝酸锰中的任意一种；
进一步，所述复合纳米颗粒的粒径为10～20nm，比表面积为100～200m2/g；
本发明还提供了一种制备掺杂二氧化锰的复合磁纳米吸附剂的制备方法，技术方案如下：
1）按物质的量2:（0.5～3.0）:（0.02～0.6）的比例取铁盐、亚铁盐、二价锰盐，加入去离子水溶解，边搅拌边加入碱液，调节pH，使溶液中有黑色颗粒产生，加入去离子水，使铁盐总浓度在0.05～5mo l/L，得到混合液;
2）将1）得到的混合液放在水浴中，搅拌，陈化，然后用磁铁将黑色颗粒从混合液中分离出来，用去离子水冲洗黑色颗粒，并用滤纸过滤，直至清洗后的去离子水pH值5～7;
3）将2）得到的黑色颗粒干燥，然后研磨成粉末，粉末焙烧，即得。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，步骤1）中所述铁盐包括氯化铁、硝酸铁、硫酸铁中的任意一种；
进一步，步骤1）中所述亚铁盐包括氯化亚铁、硝酸亚铁、硫酸亚铁中的任意一种；
进一步，步骤1）中所述二价锰盐包括氯化锰、硝酸锰、硫酸锰中的任意一种；
进一步，步骤1）中所述碱液包括氢氧化钠、氢氧化钾、氨水、碳酸钠、碳酸钾中的任意一种；
进一步，步骤1）中所述调节PH值为6～11；
进一步，步骤2）中所述水浴温度为25～75℃，搅拌时间为0.5～3h；
进一步，步骤2）中所述陈化温度为25～70℃，陈化时间为0～2.5h；
进一步，步骤3）中所述干燥温度为20～100℃，干燥时间为4～48h；
进一步，步骤3）中所述焙烧的温度为250～400℃，焙烧时间为0～5h。
本发明还提供了一种处理污水的方法，技术方案如下：将掺杂二氧化锰的复合磁纳米吸附剂置于超导磁分离水处理装置中，注入污水，每升污水投放0.1～5g吸附剂，搅拌反应1～5h，磁铁通电，将已吸附污染物的吸附剂从废水中分离出来，将分离出的吸附剂放入再生反应器中，加入碱盐混合溶液，调节pH为9～14，反应静置2～6h，过滤，取出吸附剂，用去离子水冲洗，直至溶解性铁离子浓度低于0.2mg/L，锰离子浓度低于0.1mg/L。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述污水为含有三价砷、五价砷、磷酸根、硅酸根、腐植酸中一种或任意几种的废水，所述碱盐混合溶液中的碱为NaOH或KOH，盐为NaCl、KCl中的任意一种或两种。
本发明的有益效果是：1.吸附剂制备过程简单、成本低廉。2.吸附剂对三价砷和五价砷等污染物均表现出良好的去除效果。3.吸附剂具有较大的比表面积和良好的吸附性能，吸附速度快、容量大、易于磁分离等特点，具有优异的水质净化效能。4.采用碱盐混合溶液再生方法实现吸附剂的再生，方法简单易行，再生效果良好。
本发明制备的吸附剂用于去除水中污染物（特别是三价砷），吸附了污染物的吸附剂可用磁分离方法进行分离回收，工艺简单，操作方便，材料易于回收，可循环利用。将锰氧化物复合到铁纳米颗粒表面，不仅克服纳米材料易团聚的缺点，由于材料具有磁性，也克服了纳米材料因尺寸小而流失率高的缺点，在饮用水砷污染修复领域具有独特的优势和很好的应用前景。
超导磁分离水处理装置包括磁吸附剂和絮凝剂投放器、混合器和超导磁分离器，磁吸附剂和絮凝剂投放器用于向混合器投放磁吸附剂和磁絮凝剂，混合器接有入水管，用于将磁吸附剂和磁絮凝剂与需处理水充分混合，磁分离器一端与混合器通过管道连接，另一端接出水管，磁分离器中具有铁素体不锈钢材料制作的过滤装置。吸附正常运行时，含砷等污染物的水进入混合器中，由药剂投放器加入适量磁纳米吸附剂，搅拌反应一段时间后，含有磁吸附剂的水流入超导磁分离器，在超导磁体磁化下吸附在磁分离器内的筛板上，处理过的水从磁分离器中排出，筛板上的磁吸附剂被洗脱，在回收器内回收磁种，以再生和多次循环利用。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的吸附剂的SEM图；
图2为本发明实施例1制备的吸附剂的TEM图；
图3为本发明实施例1制备的吸附剂的磁滞曲线图；
图4为本发明实施例1中吸附剂吸附三价砷As(Ⅲ)和五价As(Ⅴ)吸附动力学曲线图。
具体实施方式
以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
准确称取5.58g的FeCl3·6H2O，2.53g的FeCl2·4H2O，0.79g的MnCl2·4H2O溶解于盛有150ml去离子水的烧杯中，边搅拌边加入氨水，直到溶液pH为9，这时溶液中有黑色颗粒产生，继续加入去离子水，定容至200ml，得混合液，将混合液倒入1L三口烧瓶中，于50℃水浴，850rpm转速下搅拌1h后，将混合液放在70℃培养箱中陈化2h，然后用磁铁将黑色颗粒物从混合液中分离出来，去离子水冲洗并用滤纸过滤，直至清洗后的去离子水pH值5～7，将得到的黑色颗粒物在40℃下干燥24h，取出研磨，将黑色粉末于250℃下焙烧2h，即得。
实施例2
准确称取5.58g的FeCl3·6H2O，4.10g的FeCl2·4H2O，0.04g的MnCl2·4H2O溶解于盛有150ml去离子水的烧杯中，边搅拌边加入氨水，直到溶液pH为11，这时溶液中有黑色颗粒产生，继续加入去离子水，定容至200ml，得混合液，将混合液倒入1L三口烧瓶中，于75℃水浴，850rpm转速下搅拌3h后，将混合液放在25℃培养箱中陈化2h，然后用磁铁将黑色颗粒物从溶液中分离出来，去离子水冲洗，并用滤纸过滤，直至清洗后的去离子水pH值5～7，将得到的黑色颗粒物在100℃下干燥4h，取出研磨，将黑色粉末于400℃下焙烧0.5h，即得。
实施例3
准确称取5.4g的FeCl3·6H2O，1.44g的Fe(NO3)2·6H2O，0.0396g的MnCl2·4H2O，用去离子水溶解，边搅拌边加入氢氧化钾，调节pH为6，溶液中有黑色颗粒产生，加入去离子水，定容至500ml，得到混合液，混合液放在25℃水浴中，搅拌3h，将混合液放在70℃培养箱中陈化2h，然后用磁铁将黑色颗粒从混合液中分离出来，用去离子水冲洗黑色颗粒，并用滤纸过滤，直至清洗后的去离子水pH值5～7，将得到的黑色颗粒在100℃干燥4h，然后研磨成粉末，将黑色粉末于400℃下焙烧5h，即得。
实施例4
准确称取8.08g的Fe(NO3)3·9H2O，8.64g的Fe(NO3)2·9H2O、1.435g的Mn(NO3)2·6H2O，用去离子水溶解，边搅拌边加入氢氧化钾，调节pH为11，溶液中有黑色颗粒产生，加入去离子水，定容至300ml，得到混合液，将混合液放在75℃水浴中，搅拌0.5h，然后用磁铁将黑色颗粒从混合液中分离出来，用去离子水冲洗黑色颗粒，并用滤纸过滤，直至清洗后的去离子水pH值5～7，将得到的黑色颗粒在20℃下干燥28h，然后研磨成粉末，将黑色粉末在300℃下焙烧3h，即得。
实施例5
准确称取8g的Fe2(SO4)3，5.56g的FeSO4·7H2O，1.34g的MnSO4·4H2O，用去离子水溶解，边搅拌边加入碳酸钠，调节pH为9，溶液中有黑色颗粒产生，加入去离子水，定容至300ml，得到混合液，混合液放在45℃水浴中，搅拌1h，将混合液放在50℃培养箱中陈化0.5h，然后用磁铁将黑色颗粒从混合液中分离出来，用去离子水冲洗黑色颗粒，并用滤纸过滤，直至清洗后的去离子水pH值5～7，将得到的黑色颗粒在80℃下干燥18h，然后研磨成粉末，即得。
实验例1
向超导磁分离水处理装置中加入50L污水，其中，三价砷浓度为10mg/L，pH为7.0，取实施例1制备的吸附剂，投加量为50g，在摇床温度为25℃，转速为150rpm下震荡，定期测定出水浓度，2h时出水三价砷浓度为0.99mg/L，吸附容量为9.01mg/g，24h时出水三价砷浓度为0.08mg/L，吸附容量为9.92mg/L。
实验例2
向超导磁分离水处理装置中加入50L污水，其中，三价砷浓度为1mg/L，pH为7.0，取实施例1制备吸附剂，投加量为50g，反应2h后，将利用超导磁分离器将磁纳米吸附剂从水体中分离出来，出水三价砷浓度为0.13mg/L。
实验例3
向超导磁分离水处理装置中加入50L污水，其中，三价砷浓度为10mg/L，pH为7.0，取实施例2制备的吸附剂，投加量为50g，在摇床温度为25℃，转速为150rpm下震荡，定期测定出水浓度，2h时出水三价砷浓度为0.99mg/L，吸附容量为9.01mg/g，24h时出水三价砷浓度为0.08mg/L，吸附容量为9.92mg/L。
实验例4
向超导磁分离水处理装置中加入50L污水，其中，三价砷浓度为1mg/L，pH为7.0，取实施例2制备吸附剂，投加量为50g，反应2h后，将利用超导磁分离器将磁纳米吸附剂从水体中分离出来，出水三价砷浓度为0.13mg/L。
实验例5
向超导磁分离水处理装置中加入50L污水，其中，三价砷浓度为10mg/L，pH为7.0，取实施例3制备的吸附剂，投加量为50g，在摇床温度为25℃，转速为150rpm下震荡，定期测定出水浓度，2h时出水三价砷浓度为0.99mg/L，吸附容量为9.01mg/g，24h时出水三价砷浓度为0.08mg/L，吸附容量为9.92mg/L。
实验例6
向超导磁分离水处理装置中加入50L污水，其中，三价砷浓度为1mg/L，pH为7.0，取实施例3制备吸附剂，投加量为50g，反应2h后，将利用超导磁分离器将磁纳米吸附剂从水体中分离出来，出水三价砷浓度为0.13mg/L。
实验例7
向超导磁分离水处理装置中加入50L污水，其中，三价砷浓度为10mg/L，pH为7.0，取实施例4制备的吸附剂，投加量为50g，在摇床温度为25℃，转速为150rpm下震荡，定期测定出水浓度，2h时出水三价砷浓度为0.99mg/L，吸附容量为9.01mg/g，24h时出水三价砷浓度为0.08mg/L，吸附容量为9.92mg/L。
实验例8
向超导磁分离水处理装置中加入50L污水，其中，三价砷浓度为1mg/L，pH为7.0，取实施例4制备吸附剂，投加量为50g，反应2h后，将利用超导磁分离器将磁纳米吸附剂从水体中分离出来，出水三价砷浓度为0.13mg/L。
实验例9
向超导磁分离水处理装置中加入50L污水，其中，三价砷浓度为10mg/L，pH为7.0，取实施例5制备的吸附剂，投加量为50g，在摇床温度为25℃，转速为150rpm下震荡，定期测定出水浓度，2h时出水三价砷浓度为0.99mg/L，吸附容量为9.01mg/g，24h时出水三价砷浓度为0.08mg/L，吸附容量为9.92mg/L。
实验例10
向超导磁分离水处理装置中加入50L污水，其中，三价砷浓度为1mg/L，pH为7.0，取实施例5制备吸附剂，投加量为50g，反应2h后，将利用超导磁分离器将磁纳米吸附剂从水体中分离出来，出水三价砷浓度为0.13mg/L。
实验例11
将实验例1～5任一吸附过污染物的磁纳米吸附剂（约10g）放入再生反应器中，加入100mL碱盐混合溶液，其中NaOH浓度为0.01M，NaCl浓度为0.001M，调节pH为9～14，反应静置4h，用去离子水冲洗直至溶解性铁离子浓度低于0.2mg/L，锰离子浓度低于0.1mg/L。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种掺杂二氧化锰的复合磁纳米吸附剂，其特征在于，所述吸附剂包括以下原料：铁盐、亚铁盐、二价锰盐，其中，所述铁盐、亚铁盐、二价锰盐三者物质的量比为2：（0.5～3.0）：（0.02～0.6）。
2.根据权利要求1所述的复合磁纳米吸附剂，其特征在于，所述铁盐包括氯化铁、硝酸铁、硫酸铁中的任意一种；所述亚铁盐包括氯化亚铁、硝酸亚铁、硫酸亚铁中的任意一种；所述二价锰盐包括氯化锰、硝酸锰、硫酸锰中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的复合磁纳米吸附剂，其特征在于，所述吸附剂的粒径为10～20nm，比表面积为100～200m2/g。
4.一种掺杂二氧化锰的复合磁纳米吸附剂的制备方法，其特征在于，包括：
1）按物质的量2：(0.5～3.0)：（0.02～0.6）的比例取铁盐、亚铁盐、二价锰盐，加入去离子水溶解，边搅拌边加入碱液，调节pH，使溶液中有黑色颗粒产生，加入去离子水，使铁盐总浓度在0.05～5mol/L，得到混合液;
2）将1）得到的混合液放在水浴中，搅拌，陈化，然后用磁铁将黑色颗粒从混合液中分离出来，用去离子水冲洗黑色颗粒，并用滤纸过滤，直至清洗后的去离子水pH值5～7;
3）将2）得到的黑色颗粒干燥，然后研磨成粉末，粉末焙烧，即得。
5.根据权利要求4所述的复合磁纳米吸附剂的制备方法，其特征在于，步骤1）中所述碱液包括氢氧化钠、氢氧化钾、氨水、碳酸钠、碳酸钾中的任意一种；所述调节PH值为6～11。
6.根据权利要求4所述的复合磁纳米吸附剂的制备方法，其特征在于，步骤2）中所述水浴温度为25～75℃，搅拌时间为0.5～3h；所述陈化温度为25～70℃，陈化时间为0～2.5h。
7.根据权利要求4所述的复合磁纳米吸附剂的制备方法，其特征在于，步骤3）中所述干燥温度为20～100℃，干燥时间为4～48h；所述焙烧的温度为250～400℃，焙烧时间为0～5h。
8.一种处理污水的方法，其特征在于，包括：将如权利要求1至3任一所述的复合磁纳米吸附剂置于超导磁分离水处理装置中，注入污水，每升污水投放0.1～5g吸附剂，搅拌反应1～5h，磁铁通电，将已吸附污染物的吸附剂从污水中分离出来，将分离出的吸附剂放入再生反应器中，加入碱盐混合溶液，调节pH为9～14，反应静置2～6h，过滤，取出吸附剂，用去离子水冲洗，直至溶解性铁离子浓度低于0.2mg/L，锰离子浓度低于0.1mg/L。
9.根据权利要求8所述的处理污水的方法，其特征在于，所述污水为含有三价砷、五价砷、磷酸根、硅酸根、腐植酸中任意一种或几种的废水，所述碱盐混合溶液中的碱为NaOH或KOH，盐为NaCl、KCl中的任意一种或两种。
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