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本发明属于新型无机功能材料合成技术领域，特别涉及一种重金属离子吸附剂的制备方法。该重金属离子吸附剂的制备方法，其特殊之处在于：以P25纳米TiO2为基体材料，以KOH为反应溶剂，采用水热法制备出网状的K3Ti8O17前驱体，将其置于马弗炉中煅烧，得到重金属离子吸附剂-K3Ti8O17吸附剂。本发明制备的重金属离子吸附剂为网状结构，既有利于提高重金属离子的吸附容量又便于与所吸附的重金属离子分离，实现重金属离子吸附剂与重金属离子的循环利用，节能节材效果显著；将前驱体进行煅烧，提高重金属离子吸附剂的强度，减少其在水体中的分散及使用过程中可能造成的二次污染。

Description

一种重金属离子吸附剂的制备方法
（一）        技术领域
本发明属于新型无机功能材料合成技术领域，特别涉及一种重金属离子吸附剂的制备方法。
（二）        背景技术
随着工业生产和城市现代化的发展, 人类活动对环境产生的污染越来越严重。由于水是人类赖以生存和发展的物质基础, 因此水体污染问题引起了人们的高度关注。重金属离子污染是水体污染中最难治理的污染之一。水体中的某些重金属元素，如铬、镉、铅等，对人体有较大危害，因此, 有效去除污水中的重金属离子已经成为当前最迫切的任务之一。而吸附回收污水中的重金属离子不仅是污水处理问题的重要组成部分，同时在重金属离子的循环利用方面也有着深远的意义。
目前，对重金属离子污染水体的治理方法主要包括：化学沉淀法、电化学法、交换树脂法、吸附法、膜分离法、光催化法和超临界流体萃取法等。工业上多采用化学沉淀法，但化学沉淀法易导致二次污染，对低浓度的重金属离子处理不彻底，难以应用于治理流动水体；电化学法耗电量大, 不太适合大批量处理；离子交换树脂法可以将重金属离子转移到树脂上，但树脂和重金属离子难以分离，无法实现树脂和重金属离子的循环利用；膜分离法虽然处理效率高, 但是膜材料的处理成本很高；光催化法是一种环境友好型的处理方法, 但成本较高, 效率很低；超临界流体萃取法虽然流程简单, 萃取速度快, 能耗低, 但成本太高, 而且无法实现大规模的污水处理。近年来，吸附法作为一种简单、节约、高效的重金属离子污染水体治理方法越来越受到人们的关注。 
吸附法中最重要的是吸附剂的开发与选择。目前应用于工业废水处理的吸附剂主要有活性炭、生物吸附剂和其他一些尚处于实验室模拟阶段的吸附剂, 如粘土类吸附剂、高分子吸附剂、利用废弃物制备的吸附剂和复合吸附剂等。其中活性炭作为一种有效的废水处理吸附剂可用于大多数重金属、有机分子的除去且吸附能力强，只是活性炭资源有限，大批量治理废水造价高，寿命短，再生操作费用高，较难在经济尚不发达的地区得到广泛的应用。其他吸附剂也存在吸附效率低、易产生二次污染、无法实现循环利用等问题。因此，如何提高吸附剂的吸附效率，增加吸附剂的循环使用次数和减少吸附剂使用过程中造成的二次污染问题是当今吸附剂研究领域所面临的重要挑战之一。
（三）        发明内容
本发明提供了一种重金属离子吸附剂的制备方法，该重金属离子吸附剂克服了吸附法治理污水过程中吸附效率不高、易导致二次污染、难以治理流动水体以及无法实现吸附材料和重金属离子循环利用等问题。 
本发明是通过如下技术方案实现的： 
一种重金属离子吸附剂的制备方法，其特殊之处在于：以P25纳米TiO2为基体材料，以KOH为反应溶剂，采用水热法制备出网状的K3Ti8O17前驱体，将其置于马弗炉中煅烧，得到重金属离子吸附剂- K3Ti8O17吸附剂。
本发明的重金属离子吸附剂的制备方法，KOH的浓度为5-15mol/l。
本发明的重金属离子吸附剂的制备方法，水热反应温度为160-220℃，反应时间为24-72h。
本发明的重金属离子吸附剂的制备方法，K3Ti8O17前驱体在马弗炉中煅烧温度为550-650℃，时间为0.5-4h。
本发明的重金属离子吸附剂的制备方法，重金属离子吸附剂为网状结构。
本发明采用水热法制备重金属离子吸附剂，使吸附剂显微结构为网状结构，既有利于提高重金属离子的吸附容量（对重金属离子的吸附速率及吸附容量较一般吸附剂更高,可高达97%以上）又便于与所吸附的重金属离子分离，实现重金属离子吸附剂与重金属离子的循环利用，节能节材效果显著；将前驱体进行煅烧，提高重金属离子吸附剂的强度，减少其在水体中的分散及使用过程中可能造成的二次污染。
（四）        附图说明
附图1为K3Ti8O17吸附剂低分辨率下的SEM图；
附图2为K3Ti8O17吸附剂的XRD图；
附图3为K3Ti8O17吸附剂高分辨率下的SEM图；
附图4为K 3Ti8O17吸附剂对Cd2+的吸附速率曲线；
附图5为K3Ti8O17吸附剂对Cd2+的解吸速率曲线；
附图6为K3Ti8O17吸附剂的吸附效率与循环使用次数关系曲线；
附图7为K3Ti8O17吸附剂较高分辨率下的SEM图。
（五）        具体实施方式  
实施例1：
将89.5g KOH置于盛有160ml蒸馏水的烧杯中，磁力搅拌至室温，然后将2g P25纳米TiO2倒入烧杯中，超声清洗5min，使溶液混合均匀，将混合溶液均匀分为4份，置于40ml 内衬为聚四氟乙烯的不锈钢反应釜内，封闭、拧紧反应釜，将四个反应釜分别置于160℃的电热恒温干燥箱中，恒温反应48h。反应完毕后，自然冷却到室温，用玻璃棒将产物K3Ti8O17前驱体取出放入烧杯中，加入蒸馏水，反复用清洗、抽滤至溶液为中性，将其放入120℃的干燥箱中干燥4h，得到网状K3Ti8O17前驱体，将其置于550℃的马弗炉中，煅烧2h，随炉冷却到室温，得到网状的重金属离子吸附剂-K3Ti8O17吸附剂。
实施例2
将62.72g KOH置于盛有160ml蒸馏水的烧杯中，磁力搅拌至室温，然后将2g P25纳米TiO2倒入烧杯中，超声清洗10min，使溶液混合均匀，将混合溶液均匀分为4份，置于40ml 内衬为聚四氟乙烯的不锈钢反应釜内，封闭、拧紧反应釜，将四个反应釜置于180℃的电热恒温干燥箱中，分别恒温反应24h，反应完毕后，自然冷却到室温，用玻璃棒将产物K3Ti8O17前驱体取出放入烧杯中，加入蒸馏水，反复清洗、抽滤至溶液为中性，将其放入110℃的干燥箱中干燥5h，得到网状K3Ti8O17前驱体，将其置于650℃的马弗炉中，煅烧0.5h，随炉冷却到室温，得到网状的重金属离子吸附剂-K3Ti8O17吸附剂。
实施例3
将134.4g KOH置于盛有160ml蒸馏水的烧杯中，磁力搅拌至室温，然后将2g P25纳米TiO2倒入烧杯中，超声清洗15min，使溶液混合均匀，将混合溶液均匀分为4份，置于40ml 内衬为聚四氟乙烯的不锈钢反应釜内，封闭、拧紧反应釜，将四个反应釜置于220℃的电热恒温干燥箱中，分别恒温反应72h，反应完毕后，自然冷却到室温，用玻璃棒将产物K3Ti8O17前驱体取出放入烧杯中，加入蒸馏水，反复清洗、抽滤至溶液为中性，将其放入130℃的干燥箱中干燥5h，得到网状K3Ti8O17前驱体，将其置于600℃的马弗炉中，煅烧4h，随炉冷却到室温，得到网状的重金属离子吸附剂-K3Ti8O17吸附剂。
实施例4
将44.80g KOH置于盛有160ml蒸馏水的烧杯中，磁力搅拌至室温，然后将2g P25纳米TiO2倒入烧杯中，超声清洗10min，使溶液混合均匀，将混合溶液均匀分为4份，置于40ml 内衬为聚四氟乙烯的不锈钢反应釜内，封闭、拧紧反应釜，将四个反应釜置于200℃的电热恒温干燥箱中，分别恒温反应72h，反应完毕后，自然冷却到室温，用玻璃棒将产物K3Ti8O17前驱体取出放入烧杯中，加入蒸馏水，反复清洗、抽滤至溶液为中性，将其放入130℃的干燥箱中干燥5h，得到网状K3Ti8O17前驱体，将其置于600℃的马弗炉中，煅烧4h，随炉冷却到室温，得到网状的重金属离子吸附剂-K3Ti8O17吸附剂。
实施例5
将上述实施例所得产物进行测试，所得结果如下：
附图1为K3Ti8O17吸附剂的XRD图，由XRD数据可知，所制备的样品在2θ为29°、48°各有一很强的衍射峰，分别与K3Ti8O17（JCPDS卡片24—0901）的 (310)峰、(020)峰对应，在24°出现一个较弱的衍射峰，与K3Ti8O17的(110)衍射峰对应，说明合成的样品为K3Ti8O17。
附图2、7、3分别为K3Ti8O17吸附剂低分辨率、较高分辨率、高分辨率下的SEM图，由图可知，K3Ti8O17吸附剂由两条相互接触的纳米带紧紧的镶嵌在一起形成一网状结构，其大大提高了吸附剂的强度，其纳米带交叉、重叠、生长均匀。
将上述实施例所得产物-K3Ti8O17吸附剂对多种重金属进行吸附试验，其过程及所得数据类似，以K3Ti8O17吸附剂对水样中Cd2+的吸附进行分析。
附图4为K 3Ti8O17吸附剂对Cd2+的吸附速率曲线，由图可以看出，随着吸附时间的延长，水样中Cd2+离子浓度不断降低，吸附率逐渐升高，当吸附时间达到120min时，离子浓度仅为0.005mg/L，吸附率已经达到95.0%。此后，随着吸附时间继续延长，吸附率继续升高，但升高速率明显降低，这是因为在吸附开始阶段，水样中Cd2+离子浓度相对较高，且随着被吸附Cd2+离子的不断累积，K3Ti8O17吸附剂有限的表面积不断减少，当吸附时间达到180min时，几乎达到吸附饱和状态，此时吸附率已经达到98.5%。
附图5为K3Ti8O17吸附剂对Cd2+的解吸速率曲线，测定条件为采用KOH溶液将几乎达到吸附饱和状态的水样pH调节为12，由图可以看出，在开始阶段，水样中的Cd2+离子浓度快速增大，解吸速率较快，随着解吸时间的延长，水样中Cd2+离子浓度继续增加，当解析时间达到240min时，解吸率为93%，仍有7%的Cd2+没有从K3Ti8O17吸附剂中解吸，这可能是由于部分Cd2+进入K3Ti8O17的晶体结构中造成的。
附图6为K3Ti8O17吸附剂的吸附效率与循环使用次数关系曲线，由图可以看出，K3Ti8O17吸附剂首次吸附率较高，为98.5%，第二次使用时吸附率下降较大，降低为94%，这可能是由于Cd2+不能完全从K3Ti8O17中解吸出来，部分Cd2+残留在K3Ti8O17的晶体结构中造成的，但接下来吸附剂循环稳定性较好，10次循环后吸附率仍能保持在88%，说明残留在K3Ti8O17晶体结构中的Cd2+有较好稳定性，对后续吸附测试影响不大。

Claims (5)

1.一种重金属离子吸附剂的制备方法，其特征在于：以P25纳米TiO2为基体材料，以KOH为反应溶剂，采用水热法制备出网状的K3Ti8O17前驱体，将其置于马弗炉中煅烧，得到重金属离子吸附剂- K3Ti8O17吸附剂。
2.根据权利要求1所述的重金属离子吸附剂的制备方法，其特征在于：KOH的浓度为5-15mol/l。
3.根据权利要求1或2所述的重金属离子吸附剂的制备方法，其特征在于：水热反应温度为160-220℃，反应时间为24-72h。
4.根据权利要求1或2所述的重金属离子吸附剂的制备方法，其特征在于：K3Ti8O17前驱体前驱体在马弗炉中煅烧温度为550-650℃，时间为0.5-4h。
5.根据权利要求4所述的重金属离子吸附剂的制备方法，其特征在于：重金属离子吸附剂为网状结构。
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