CN103521183B - 一种处理丙烯腈废水的吸附剂及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种处理丙烯腈废水的吸附剂及其制备方法与应用。该吸附剂是将芦竹根活性炭颗粒在硫酸亚铁溶液中浸泡，再将浸泡后的活性炭颗粒与乙醇水溶液、聚乙二醇-4000和NaBH₄水溶液常温下混合反应，得到的负载有纳米铁的活性炭颗粒。本发明以芦竹根为原料制备活性炭颗粒，工艺简单，原料价格低廉，制备的负载有纳米铁的活性炭颗粒可有效的分解有害污染物，且负载的纳米铁和活性炭与废水接触时可形成无数原电池，并与丙烯腈发生化学反应；使丙烯腈得到分解，提高了后续可生化性。

Description

一种处理丙烯腈废水的吸附剂及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及一种处理丙烯腈废水的吸附剂及其制备方法与应用，属于环境保护与废水的处理领域。

背景技术

水污染是我国当前面临的主要环境问题之一。其中工业废水占总污水量的70%以上，是国内外环保研究领域中的难题，它的净化处理越来越受到人们的关注。丙烯腈工业生产中产生的含氰废水属于典型的高浓度有机废水；研究表明，水环境中微量丙烯腈的存在，会造成水体的高毒性和潜在的“三致”毒性，在我国确定的优先控制有毒化学品名单中以及水中优先控制污染物黑名单中，丙烯腈均位列其中。如何有效的处理丙烯腈废水是国内外公认的难题。目前最常见的处理方法为氧化法、电芬顿法、生物法，其中以生物法最为典型。

但是，丙烯腈废水对微生物有很强的毒性和抑制作用，直接排入生化处理系统会对系统造成很大的冲击。丙烯腈废水中最难处理的污染物是聚合物，它主要来自于腈类物质的低分子聚合物或共聚物。这些聚合物在水中一般以胶体态或溶解态形式存在，难以水解并能被微生物利用，很难得到有效去除，这是造成丙烯腈废水COD排放不达标的主要原因。

现有的吸附剂多为活性炭，可以降低进入生化系统丙烯腈及COD的浓度；但单独的活性炭吸附不能使丙烯腈分解，排放到环境中会造成二次污染。因此，开发能与丙烯腈废水中的污染物反应的吸附剂对于丙烯腈废水处理具有重要的意义。

发明内容

针对现有技术中丙烯腈废水吸附剂容易造成二次污染的不足，本发明提供一种处理丙烯腈废水的吸附剂及其制备方法与应用，尤其提供一种能与丙烯腈废水中的污染物反应的吸附剂及其制备方法与应用。

本发明的技术方案如下：

一种处理丙烯腈废水的吸附剂，该吸附剂是将芦竹根活性炭颗粒在硫酸亚铁溶液中浸泡，再将浸泡后的芦竹根活性炭颗粒与乙醇水溶液、聚乙二醇-4000和NaBH₄水溶液常温下混合反应，得到的负载有纳米铁的活性炭颗粒，即为本发明的吸附剂。

所述的芦竹根活性炭颗粒是按如下步骤制得的：

将芦竹根烘干、粉碎，过80～200目筛，将所得芦竹根粉浸渍于焦磷酸水溶液中5～15h，将浸泡过的芦竹根粉取出后置于马弗炉中，于500～600℃炭化活化0.5～3h，冷却，用90～100℃的去离子水洗涤至洗涤液pH值不变，烘干或自然晾干。

本发明的负载有纳米铁的活性炭颗粒吸附剂，比表面积为344.36～540.82m²/g，平均孔径为3.489～5.310nm，颗粒平均粒径为86.93～288.72μm，铁负载量为7.5%～13.7%。

根据本发明，一种处理丙烯腈废水的吸附剂的制备方法，步骤如下：

（1）将芦竹的根水洗除杂，剪成段状，烘干，粉碎后过80～200目筛，得芦竹根粉；将芦竹根粉浸渍于焦磷酸水溶液中5～15h，将浸泡过的芦竹根粉取出后置于马弗炉中，于500～600℃炭化活化0.75～3h，停止加热，冷却，用90～100℃的去离子水洗涤至洗涤液pH值不变，烘干或自然晾干，得芦竹根活性炭颗粒；

（2）将步骤（2）得到的芦竹根活性炭颗粒加入硫酸亚铁溶液中，通氮气搅拌浸泡2～5h；将浸泡液滤去，向固相中加入乙醇水溶液和聚乙二醇-4000，并滴加NaBH₄水溶液，通氮气室温下搅拌反应0.5～3h；

（3）反应完成后将反应液滤去，将固相洗涤至洗涤液呈中性，烘干即得。

根据本发明，优选的，步骤（1）中所述的烘干的方式为在105℃烘箱中烘干10～12h。

根据本发明，优选的，步骤（1）中所述的焦磷酸水溶液的质量浓度为40～50%，更优选45%；所述的芦竹根粉与焦磷酸水溶液的质量比为1：（1～2）。

根据本发明，优选的，步骤（2）中所述的硫酸亚铁溶液的摩尔浓度为0.05～0.1mol/L；所述的活性炭颗粒与硫酸亚铁溶液的质量体积比为0.01～0.05g/ml。

根据本发明，优选的，步骤（2）中所述的乙醇水溶液中乙醇与水的体积比为1:（2～10），更优选3:7；所述的NaBH₄水溶液的摩尔浓度为0.5～1mol/L，更优选0.7mol/L。

根据本发明，优选的，步骤（2）中所述的NaBH₄水溶液滴加速率为1.5～7.5ml/min。以避免生成的纳米铁的团聚。

根据本发明，优选的，步骤（2）中所述的固相与乙醇水溶液的质量体积比为0.01～0.04g/ml，所述的固相与聚乙二醇-4000的质量比为（4～20）：1，所述的固相与NaBH₄水溶液的质量体积比为（0.01～0.04）：1g/ml。

根据本发明，优选的，步骤（3）中所述的固相洗涤方式为：水洗涤后用乙醇洗涤，再用水洗涤。

本发明制得的吸附剂用于丙烯腈废水的处理。在废水中丙烯腈浓度50～700mg/L范围内，本发明吸附剂的投加量为0.5～1.5g/L；优选投加量为1g/L。

本发明制备的处理丙烯腈废水的吸附剂，适合存放在充满N₂的棕色瓶子内。

本发明吸附剂的制备方法中，加入乙醇水溶液可有效地发挥聚乙二醇-4000对FeSO₄·7H₂O的分散作用，使Fe²⁺均匀地分散到颗粒活性炭上，并可以防止NaBH₄还原得到的纳米铁发生团聚现象。

本发明的有益效果如下：

1、本发明以芦竹根为原料制备活性炭颗粒，制备工艺简单，制备速度快，原料价格低廉，制备的活性炭颗粒空隙的70%多为介孔，有利于纳米铁的负载；负载有纳米铁的活性炭颗粒可有效的分解有害污染物，有利于环境保护。

2、本发明的吸附剂在处理丙烯腈废水的过程中不仅具有很强的吸附性能，而且负载的纳米铁和活性炭与废水接触时可形成无数原电池，并与丙烯腈发生化学反应；由于纳米铁具有极强的还原性，可以将丙烯腈还原，纳米铁与丙烯腈反应生成的Fe²⁺还能与丙烯腈反应，使丙烯腈得到分解，提高了后续的可生化性。

3、本发明作为纳米铁载体的活性炭颗粒是用芦竹根为原料制备的，芦竹属于草本植物，在我国分布广泛且繁殖能力强，实现资源和能源再利用。用焦磷酸作为活化剂可增加活性炭颗粒中介孔的数量，更有利于纳米铁的负载。

附图说明

图1是实施例1制备的处理丙烯腈废水的吸附剂的扫描电镜照片，a、b放大倍率均为10000倍。

图2是实施例1制备的处理丙烯腈废水的吸附剂的透射电镜照片，c放大倍率为80000倍，d放大倍率为120000倍。

具体实施方式

下面通过具体实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1

一种处理丙烯腈废水的吸附剂的制备方法，步骤如下：

（1）将芦竹的根水洗除杂，剪成段状，在105℃烘箱中烘干12h，烘干后的芦竹根在粉碎机中粉碎后过80目筛，得芦竹根粉；将芦竹根粉浸渍于质量浓度为45%的焦磷酸水溶液中10h，所述的芦竹根粉与焦磷酸溶液的质量比为1:1，将上述浸泡过的芦竹根粉取出后置于马弗炉中，于500℃炭化活化1h，停止加热后，冷却，用100℃的去离子水洗涤至洗涤液pH值不变，烘干，得活性炭颗粒；

（2）向100ml0.07mol/L的硫酸亚铁溶液中加入2g步骤（2）得到的活性炭颗粒，通氮气搅拌浸泡4h；将浸泡液滤去，向固相中加入50ml乙醇水溶液（乙醇：水体积比=3：7）、0.5g聚乙二醇-4000，以3ml/min的速率滴加0.7mol/L的NaBH₄水溶液50ml，通氮气室温下搅拌反应0.75h；

（3）反应完成后将反应液滤去，将固相水洗，再用乙醇水溶液冲洗，再水洗至洗涤液呈中性，置于真空干燥箱中干燥，即得。制得的样品存放在充满N₂的棕色瓶子内。

本实施例制备的处理丙烯腈废水的吸附剂由比表面积分析仪测得比表面积大小为478.7m²/g，平均孔径为4.07nm，颗粒平均粒径为171.75μm，铁负载量为10%。扫描电镜照片和透射电镜照片如图1、2所示；图2-d中黑色的球状物为纳米铁。

实施例2

一种处理丙烯腈废水的吸附剂的制备方法，步骤同实施例1，所不同的是：

步骤（1）中烘干后的芦竹根在粉碎机中粉碎后过200目筛，得芦竹根粉；焦磷酸溶液的质量浓度为40%；马弗炉中的炭化活化温度为600℃；步骤（2）中硫酸亚铁溶液的摩尔浓度为0.1mol/L。

本实施例制备的处理丙烯腈废水的吸附剂由比表面积分析仪测得比表面积大小为422.25m²/g，平均孔径为4.37nm，颗粒平均粒径为150.26μm，铁负载量为10.5%。

实施例3

一种处理丙烯腈废水的吸附剂的制备方法，步骤如下：

（1）将芦竹的根水洗除杂，剪成段状，在105℃烘箱中烘干12h，烘干后的芦竹根在粉碎机中粉碎后过200目筛，得芦竹根粉；

将芦竹根粉浸渍于质量浓度为45%的焦磷酸水溶液中10h，所述的芦竹根粉与焦磷酸溶液的质量比为1:2，将上述浸泡过的芦竹根粉取出后置于马弗炉中，于500℃炭化活化1h，停止加热后，冷却，用90℃的去离子水洗涤至洗涤液pH值不变，自然晾干，得活性炭颗粒；

（2）向100ml0.07mol/L的硫酸亚铁溶液中加入2g步骤（2）得到的活性炭颗粒，通氮气搅拌浸泡4h；

将浸泡液滤去，向固相中加入50ml乙醇水溶液（乙醇：水体积比=3：7）、0.5g聚乙二醇-4000，以3/min的速率滴加0.7mol/L的NaBH₄水溶液50ml，通氮气室温下搅拌反应0.75h；

（3）反应完成后将反应液滤去，将固相水洗至洗涤液呈中性，置于真空干燥箱中干燥，即得。制得的样品存放在充满N₂的棕色瓶子内。

本实施例制备的处理丙烯腈废水的吸附剂由比表面积分析仪测得比表面积大小为540.82m²/g，平均孔径为3.489nm，颗粒平均粒径为288.72μm，铁负载量为7.5%。

实施例4

一种处理丙烯腈废水的吸附剂的制备方法，步骤同实施例1，不同的是：

步骤（1）中芦竹根粉碎后过100目筛；焦磷酸溶液的质量浓度为50%；马弗炉中的炭化活化温度为530℃，炭化活化时间为3h；

步骤（2）中硫酸亚铁溶液的摩尔浓度为0.1mol/L；NaBH₄水溶液的摩尔浓度为1mol/L。

本实施例制备的处理丙烯腈废水的吸附剂由比表面积分析仪测得比表面积大小为344.36m²/g，平均孔径为5.310nm，颗粒平均粒径为86.93μm，铁负载量为13.7%。

实施例5

一种处理丙烯腈废水的吸附剂的制备方法，步骤同实施例1，所不同的是：

步骤（1）中芦竹根粉碎后过150目筛，焦磷酸溶液的质量浓度为43%；马弗炉中的炭化活化温度为560℃，炭化活化时间为0.75h；

步骤（2）中硫酸亚铁溶液的摩尔浓度为0.05mol/L；NaBH₄水溶液的摩尔浓度为0.5

mol/L。

本实施例制备的处理丙烯腈废水的吸附剂由比表面积分析仪测得比表面积大小为373.77m²/g，平均孔径为4.55nm，颗粒平均粒径为100.44μm，铁负载量为12.5%。

实验例1：

将实施例1制备的吸附剂用于处理丙烯腈模拟废水；所述的丙烯腈模拟废水是将丙烯腈溶于去离子水中制得。用于对比的活性炭为市售普通活性炭。

将实施例1制备的吸附剂与活性炭，用于不同浓度的丙烯腈模拟废水的处理，投加量均为1g/L，在25℃恒温水浴振荡器中震荡吸附24h；吸附后所得结果列于表1，表1中CO(mg/L)为丙烯腈模拟废水的初始浓度。

表1吸附剂处理丙烯腈模拟废水的效果对比

由表1可知，在1g/L的投加量下，单独的活性炭吸附效果随着丙烯腈浓度的增加而降低，实施例1制备的吸附剂在丙烯腈低浓度和高浓度下对丙烯腈均具有较好的吸附效果，且吸附量随着丙烯腈浓度的增加而增大，说明实施例1制备的吸附剂不仅具有活性炭的吸附能力，还可以与丙烯腈发生反应使其得到降解，提高了吸附剂的活性，降低了废水的毒性，为后续生化反应的顺利进行提供了条件。

实验例2：

将实施例2～5制备的吸附剂用于处理丙烯腈初始浓度为50、400、700(mg/L)的模拟废水；实验方法和条件同实验例1。所得结果列于表2，表2中C_O(mg/L)为丙烯腈模拟废水的初始浓度。

表2

Claims (6)

1.一种处理丙烯腈废水的吸附剂的制备方法，步骤如下：

（1）将芦竹的根水洗除杂，剪成段状，烘干，粉碎后过80~200目筛，得芦竹根粉；将芦竹根粉浸渍于焦磷酸水溶液中5~15 h，将浸泡过的芦竹根粉取出后置于马弗炉中，于500~600 ℃炭化活化0.75~3 h，停止加热，冷却，用90~100℃的去离子水洗涤至洗涤液pH值不变，烘干或自然晾干，得芦竹根活性炭颗粒；

所述的焦磷酸水溶液的质量浓度为40~50%；所述的芦竹根粉与焦磷酸水溶液的质量比为1：（1~2）；

（2）将步骤（1）得到的芦竹根活性炭颗粒加入硫酸亚铁溶液中，通氮气搅拌浸泡2~5 h； 将浸泡液滤去，向固相中加入乙醇水溶液和聚乙二醇-4000，并滴加NaBH₄水溶液，通氮气室温下搅拌反应0.5~3 h；

所述的硫酸亚铁溶液的摩尔浓度为0.05~0.1 mol/L；所述的活性炭颗粒与硫酸亚铁溶液的质量体积比为0.01~0.05 g/mL；

所述的固相与乙醇水溶液的质量体积比为0.01~0.04 g/mL，所述的固相与聚乙二醇-4000的质量比为（4~20）：1，所述的固相与NaBH₄水溶液的质量体积比为（0.01~0.04）：1 g/mL；

（3） 反应完成后将反应液滤去，将固相洗涤至洗涤液呈中性，烘干即得。

2.根据权利要求1所述的处理丙烯腈废水的吸附剂的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述的烘干的方式为在105 ℃烘箱中烘干10~12 h。

3.根据权利要求1所述的处理丙烯腈废水的吸附剂的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述的乙醇水溶液中乙醇与水的体积比为1:（2~10）；所述的NaBH₄水溶液的摩尔浓度为0.5~1mol/L。

4.根据权利要求3所述的处理丙烯腈废水的吸附剂的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述的乙醇水溶液中乙醇与水的体积比为3:7。

5.根据权利要求1所述的处理丙烯腈废水的吸附剂的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述的NaBH₄水溶液滴加速率为1.5~7.5 mL/min。

6.根据权利要求1所述的处理丙烯腈废水的吸附剂的制备方法，其特征在于，步骤（3）中所述的洗涤方式为：水洗涤后用乙醇洗涤，再用水洗涤。