CN102974304A - 一种利用工业酸洗废水合成水滑石的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种利用工业酸洗废水合成水滑石的方法，通过加入其他三价金属盐和二价金属盐调节使得二价离子的摩尔浓度是三价离子的摩尔浓度的2~4倍；滴加50%~70%的KOH溶液，分离沉淀物；将分离后的沉淀物制成悬浊液，固液质量比为1：4~1：8，向该悬浊液中继续滴加50%~70%的KOH溶液，直至pH值至10~13为止，滴加完成后悬浊液在室温下老化24~48h，分离沉淀物，在70~90℃下烘干即可；利用酸洗废水中的金属离子，制备具有广泛应用范围的水滑石，实现废物利用，并能去除酸洗废水中的重金属离子和酸，可以作为吸附材料，继续用于环境治理。

Description

一种利用工业酸洗废水合成水滑石的方法

技术领域

本发明涉及环境污染控制新材料的开发，尤其涉及一种利用酸洗废水合成水滑石的方法。

背景技术

由于轧钢构件暴露在空气中容易被氧气氧化，俗称生锈。进行轧钢构件的表面加工处理时，需要对构件表面锈化层进行清除。对轧钢构件表面进行加工处理，可以增强其耐受能力，延长其使用寿命。轧钢构件表面锈化层的清除主要有物理方法、化学方法和电化学方法等。物理法主要凭借机械力剥离锈层，该方法缺点主要是锈层去除不彻底，除锈过程产生大量的粉尘，目前在钢铁除锈领域应用地比较少；化学方法应用的最广，主要是依靠酸与锈层反应达到除锈的目的，化学法除锈具有速度快、除锈彻底、保证后续钢铁表面处理的质量等优点，但是，化学方法处理依旧有不尽人意之处，如酸洗废液等污染周围环境。随着经济的发展，钢铁工业和钢铁制造业也不断的发展，钢材化学酸洗除锈过程产生的问题日益突出，成为废水治理中的研究重点之一。

钢铁表面由于腐蚀产生的锈层组成成分主要有：Fe₂O₃，FeO，Fe₃O₄，水合铁锈化合物等。锈层呈疏松、多孔状态，易渗透，表面积比较大。酸洗过程主要是酸与铁锈进行化学反应，使锈层脱离铁基体，在酸洗除锈过程同时发生酸溶解铁基体的反应。除锈过程发生的反应主要如下：

6H⁺＋Fe₂O₃＝2Fe³⁺＋3H₂O，

2H⁺＋FeO＝Fe²⁺＋H₂O，

8H⁺＋Fe₃O₄＝2Fe³⁺＋Fe²⁺＋4H₂O，

2Fe³⁺＋Fe＝3Fe²⁺，

2H⁺＋Fe＝Fe²⁺＋H₂。

酸洗过程产生的废水中含油大量的Fe²⁺和 Fe³⁺离子，因此，可以作为资源来使用。

层状双羟基复合金属氧化物（Layered Double Hydroxides，简称LDH），又称水滑石，是一类重要的无机功能材料。其独特的层状结构及层板元素和层间阴离子的可调变性受到人们的广泛关注，经离子交换向层间引入新的客体阴离子可使层状结构和组成产生相应的变化，因而可以制备一大类具有特殊性质的功能材料。水滑石材料属于阴离子型层状化合物。层状化合物是指具有层状结构、层间离子具有可交换性的一类化合物，利用层状化合物主体在强极性分子作用下所具有的可插层性和层间离子的可交换性，将一些功能性客体物质引入层间空隙并将层板距离撑开从而形成层柱化合物。

水滑石化学结构通式为：[M²⁺ _1-xM³⁺x (OH)₂]^x+ [(A^n- )_x/n·mH₂O]，其中M²⁺为Mg²⁺，Ni²⁺，Mn²⁺，Zn²⁺，Ca²⁺，Fe²⁺，Cu²⁺等二价金属阴离子；M³⁺为Al³⁺，Cr³⁺，Fe³⁺，Co³⁺等三价金属阴离子；A^n-为阴离子，如CO₃ ^2-，NO₃ ^-，Cl^-，OH^-，SO₄ ^2-，PO₄ ^3-，C₆H₄(COO)₂ ^2-等无机和有机离子以及络合离子，当层间无机阴离子不同，水滑石的层间距不同，同时在水滑石吸附污染物之后，层间距也会增大，以容纳更多的污染物。

目前，水滑石类材料的合成方法主要有盐-碱法、盐-氧化物法和离子交换法，还衍生出诱导水解法、水热法、热处理重新水合法等。其中最常用的方法是共沉淀法，即在一定温度下用构成水滑石层的金属离子混合溶液在碱的作用下发生共沉淀来制备。该方法简单易操作，是常用的制备方法，该方法中需要利用一定量的二价金属离子和三价金属离子，从经济的角度来看增加了投入；从治理环境的角度来看合成的过程中增加了废水的产生，对环境治理提出了新的问题。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术中制备有机水滑石并用于有机废水处理的不足，提供一种利用酸洗废水合成水滑石的方法。

本发明采用的技术方案是依次包括如下步骤：

1）收集酸洗废水，投入废铁或锈铁以消耗酸，过滤去除其中的固体颗粒，分析其中Fe²⁺和 Fe³⁺离子的浓度，通过加入其他三价金属盐和二价金属盐调节使得二价离子的摩尔浓度是三价离子的摩尔浓度的2~4倍；

2）滴加50%~70% 的KOH 溶液，持续200~300 rpm搅拌，金属离子在碱作用下发生沉淀，当碱液无沉淀再生成，停止滴加KOH 溶液，分离沉淀物；

3）将分离后的沉淀物制成悬浊液，固液质量比为1：4~1：8，向该悬浊液中继续滴加50%~70% 的KOH 溶液，直至pH值至10~13为止，滴加时在300~400 rpm下搅拌，滴加完成后悬浊液在室温下老化24~48 h，分离沉淀物，在70~90℃下烘干即可。

本发明的优点是利用酸洗废水中的金属离子，制备具有广泛应用范围的水滑石，实现废物利用，并能去除酸洗废水中的重金属离子和酸，合成得到的水滑石虽然从纯度上来讲可能不能满足高层次的（比如医药化工方面）的需要，但作为有水滑石结构的材料来讲可以作为吸附材料，继续用于环境治理，达到以废治废。

具体实施方式

将酸洗废水收集，尽量多的投入一些废铁或锈铁将其中酸消耗掉，一方面增加Fe²⁺和 Fe³⁺离子的浓度，另一方面可以减少后续碱的加入量。过滤去除酸洗废水固体颗粒，分析其中Fe²⁺和 Fe³⁺离子的浓度，本发明需二价离子的摩尔浓度是三价离子的摩尔浓度的2~4倍，如果不在次浓度范围，可以通过加入其他三价金属盐（如比较便宜的Al³⁺、Fe³⁺）和二价金属盐（如比较便宜的Mg²⁺、Fe²⁺）来调节。然后向酸洗废水中快速滴加50%~70% 的KOH 溶液，持续200~300 rpm搅拌，金属离子在碱作用下发生沉淀，当碱液无沉淀再生成，停止滴加KOH 溶液，分离沉淀物。分离后的沉淀物无需烘干，制成悬浊液，固液质量比为1：4~1：8，向该悬浊液中继续滴加50%~70% 的KOH 溶液，直至pH值至10~13为止，滴加时在300~400 rpm下快速搅拌，滴加完成后悬浊液在室温下老化24~48 h，分离沉淀物，在70~90℃下烘干，即制备成水滑石。

以下进一步提供本发明的3个实施例：

实施例1

将酸洗废水收集，尽量多的投入一些锈铁，将其中酸消耗掉，一方面增加Fe²⁺和 Fe³⁺离子的浓度，另一方面可以减少后续碱的加入量；过滤去除酸洗废水固体颗粒，分析其中Fe²⁺和 Fe³⁺离子的浓度，并通过加入其他三价金属盐AlCl₃，确保二价离子的摩尔浓度是三价离子的摩尔浓度的2倍；向酸洗废水中快速滴加70% 的KOH 溶液，持续300 rpm搅拌，金属离子在碱作用下发生沉淀，当碱液无沉淀再生成，停止滴加KOH 溶液，分离沉淀物；分离后的沉淀物无需烘干，制成悬浊液，固液比为1：8（质量比），向该悬浊液中继续滴加70% 的KOH 溶液，直至pH值至13为止，滴加时在400 rpm下快速搅拌，滴加完成后悬浊液在室温下老化48 h，分离沉淀物，在90℃下烘干，即制备成水滑石。

将该水滑石粉末加入水中，粉末和水的重量比为1：2，制成悬浊液；再加入质量为水滑石质量1/20的十二烷基苯磺酸钠，搅拌1小时，沉淀，烘干，研磨，制成有机水滑石，将该有机水滑石用于处理含15mg/L的对硝基苯的有机废水，每克水滑石对应的所处理的废水体积约为1 L，快速搅拌60分钟；反应产物在沉淀池停留30分钟，固液分离，紫外可见分光光度计测定上清液浓度，污染物去除率为96.8%。

实施例2

将酸洗废水收集，测其pH值，pH为3.8，投入一些废铁，将其中酸消耗掉，一方面增加Fe²⁺和 Fe³⁺离子的浓度，另一方面可以减少后续碱的加入量；过滤去除酸洗废水固体颗粒，分析其中Fe²⁺和 Fe³⁺离子的浓度，并通过加入二价金属盐MgCl₂来调节，确保二价离子的摩尔浓度是三价离子的摩尔浓度的4倍；向酸洗废水中快速滴加50% 的KOH 溶液，持续200 rpm搅拌，金属离子在碱作用下发生沉淀，当碱液无沉淀再生成，停止滴加KOH 溶液，分离沉淀物；分离后的沉淀物无需烘干，制成悬浊液，固液比为1：4（质量比），向该悬浊液中继续滴加50%的KOH 溶液，直至pH值至10为止，滴加时在300 rpm下快速搅拌，滴加完成后悬浊液在室温下老化24 h，分离沉淀物，在70℃下烘干，即制备成水滑石。

将该水滑石粉末加入水中，粉末和水的重量比为1：2，制成悬浊液；再加入质量为水滑石质量1/20的十二烷基苯磺酸钠，搅拌1小时，沉淀，烘干，研磨，制成有机水滑石，将该有机水滑石用于处理含15 mg/L的对硝基苯的有机废水，每克水滑石对应的所处理的废水体积约为1 L，快速搅拌60分钟；反应产物在沉淀池停留30分钟，固液分离，紫外可见分光光度计测定上清液浓度，污染物去除率为97.5%。

实施例3

将酸洗废水收集，测其pH值，pH为2.8，投入一些废铁，将其中酸消耗掉，一方面增加Fe²⁺和 Fe³⁺离子的浓度，另一方面可以减少后续碱的加入量；过滤去除酸洗废水固体颗粒，分析其中Fe²⁺和 Fe³⁺离子的浓度，并通过加入二价金属盐FeCl₂来调节，确保二价离子的摩尔浓度是三价离子的摩尔浓度的4倍；向酸洗废水中快速滴加60% 的KOH 溶液，持续300 rpm搅拌，金属离子在碱作用下发生沉淀，当碱液无沉淀再生成，停止滴加KOH 溶液，分离沉淀物；分离后的沉淀物无需烘干，制成悬浊液，固液比为1：6（质量比），向该悬浊液中继续滴加60% 的KOH 溶液，直至pH值至12为止，滴加时在400 rpm下快速搅拌，滴加完成后悬浊液在室温下老化36 h，分离沉淀物，在80℃下烘干，即制备成水滑石。

将该水滑石粉末加入含20 mg/L酸性大红的染料废水中，每克水滑石对应的所处理的废水体积约为1 L，快速搅拌60分钟；反应产物在沉淀池停留30分钟，固液分离，紫外可见分光光度计测定上清液浓度，污染物去除率为98.1%。

Claims (1)

1.一种利用工业酸洗废水合成水滑石的方法，其特征是依次包括如下步骤：

1）收集酸洗废水，投入废铁或锈铁以消耗酸，过滤去除其中的固体颗粒，分析其中Fe²⁺和 Fe³⁺离子的浓度，通过加入其他三价金属盐和二价金属盐调节使得二价离子的摩尔浓度是三价离子的摩尔浓度的2~4倍；

2）滴加50%~70% 的KOH 溶液，持续200~300 rpm搅拌，金属离子在碱作用下发生沉淀，当碱液无沉淀再生成，停止滴加KOH 溶液，分离沉淀物；

3）将分离后的沉淀物制成悬浊液，固液质量比为1：4~1：8，向该悬浊液中继续滴加50%~70% 的KOH 溶液，直至pH值至10~13为止，滴加时在300~400 rpm下搅拌，滴加完成后悬浊液在室温下老化24~48 h，分离沉淀物，在70~90℃下烘干即可。