CN104069683B - 一种纳米金属氧化物铁、铝、钛复合改性石英砂滤料及其制备方法 - Google Patents

一种纳米金属氧化物铁、铝、钛复合改性石英砂滤料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种新型纳米金属氧化物铁、铝、钛复合改性石英砂滤料及其制备方法。所述新型纳米金属氧化物铁、铝、钛复合改性石英砂滤料是以三氯化铁、三氯化铝和四氯化钛为改性剂原料,采用两次高温煅烧的复合制备技术制备得到。该滤料包括石英砂载体及包裹于所述载体上的纳米复合氧化金属吸附层,整体为瘤球状。石英砂载体粒半径大小为0.6~2.0mm,本滤料的比表面积比普通石英砂提高30~50倍,吸附容量是第一次氧化铁改性石英砂的3.0~4.0倍,对腐殖酸的去除率达到了97~98%。同时吸附范围更广,且制备工艺方法简单,单位制备成本是纳米氧化铁改性石英砂的1/10~1/5,具有吸附性能与产品价格的优势,有很大的推广应用前景。

Description

一种纳米金属氧化物铁、铝、钛复合改性石英砂滤料及其制备方法
技术领域
本发明属于改性滤料制备工艺领域。具体地,涉及一种纳米金属氧化物铁、铝、钛复合改性石英砂滤料及其制备方法。
背景技术
水污染治理对人类及生态环境的影响是毋庸置疑的,且一直是困扰我们的难题。目前已研究有多种多样的治理方法,其中,利用滤料的过滤作用来处理水资源的方法,绿色安全、效果好。但是普通的可用滤料往往存在吸附力不足、吸附限制范围小以及其他不利影响等问题。改性滤料是一种新兴的滤料,用改性滤料过滤是近十年才发展起来的一种新工艺。改性滤料即是在载体滤料(通常是普通水厂常用滤料,也可能是一些表面积大的天然矿物材料)表面通过物理化学反应涂上一层改性剂,从而改变原滤料颗粒表面物理化学性质,可提高滤料的截污能力,乃至提高滤料对某些特殊物质的吸附能力,改善出水水质。
传统的改性滤料主要是通过在石英砂表面附着不同功能的物质,改善滤料表面的性质,制成具有优良吸附性能和一定机械强度的改性滤料。但是要真正应用到实际生产中,尚存在附着强度弱、吸附容量不足,再生困难等问题。采用纳米改性剂制造的改性石英砂又具有成本高,不适宜工业化生产、使用的不足。然而,有关传统改性滤料的研究,各专家学者不仅在在制备方法上大相径庭,而且即使是同一种方法,其制备工艺参数值也存在很大差异。比如,邓惠萍等多以低温条件下反复碱性沉积法制备,所得的多层传统改性滤料表面容易脱落。赵玉华等则采用高温煅烧法制备,所得单层传统改性滤料综合性能较前者有所改善,其表面形成的物质更有利于静电吸附作用的发挥,但所得改性滤料的吸附容量提高仍然十分不足。国外对改性滤料的研究始于20世纪80年代,现阶段一般采用高温煅烧的方法将铁或锰的氧化物烧结在石英砂表面,通过铁的氧化物在水中形成的丰富表面羟基提高吸附容量,砂粒上覆盖微孔的金属氧化物后,滤料颗粒比表面积增大、表面吸附区域面积增加。但是所有这些制备方法其效果往往是单方面的改善,效果扔不尽如意;而且在工艺参数,如煅烧温度、煅烧时间、改性剂种类、浓度和溶液pH值等方面,都还没有统一的制备标准。因此,如何改进石英砂改性的制备工艺条件扔是改善强化过滤效果的主要途径之一,有待深入的研究。
目前,国内外有关复合改性技术应用于净水滤料方面的研究主要集中在使用金属铁盐、铝盐、锰盐等为改性剂;低温条件下反复碱性沉积法、高温条件下单次煅烧法和粘结剂表面粘合法等为主要实现方法;对滤料颗粒的表面电位和金属介质内部结构进行改性为目的,制备改性滤料。高燕飞、高乃云研究发现,纳米铁对不同重金属的去除机理有所不同,可用于处理含放射性物质废水。但纳米铁的强还原性导致自身极易氧化,从而失去对污染物的还原能力,这种不稳定性造成了其实际应用中的最大障碍。N.Boujelben等人使用天然氧化铁改性石英砂吸附含镍和铜的水溶液,并研究了影响吸附效果的因子(pH值、温度、离子溶度等),并获得Freundlich和Langmuir吸附等温线两个平衡模型。Chi-ChuanKan等通过使用锰和铁两种金属氧化物对石英砂进行改性,并对使用复合制备工艺生产出来的MOCS(锰的氧化物改性石英砂)、IOCS(铁的氧化物改性石英砂)和MIOCS(铁、锰金属氧化物复合改性石英砂)对水溶液中锰离子的去除进行了研究,效果明显。黄辉等通过对高温煅烧方法下生产的IOCS进行工艺条件的优化,得到IOCS的优化生产条件,该条件下生产的IOCS吸附容量虽大于普通石英砂,但仍相对偏小,有较大的提升空间。庞治星等采用粘结剂表面粘合法将纳米氧化铁与纳米二氧化硅粘结在石英砂表面,得到吸附容量较大的纳米氧化铁改性石英砂,但由于采用的纳米材料成本较高,不适宜工业化的生产与使用。
目前,给水处理中对复合改性滤料的研究仍处于定性阶段,并没有深入定量分析不同改性剂、不同改性剂组合、配比和投加量等因素对不同污染物的去除效果;而且,如果改性剂的组合选择不当,更会导致改性剂相互间的缺点组合,使得改性滤料无法投入使用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有复合改性滤料的缺陷和技术不足,提供一种吸附范围更广、吸附容量更大、吸附效果更好的复合改性石英砂滤料及其制备方法。
本发明的目的是提供一种新型纳米金属氧化物铁、铝、钛复合改性石英砂滤料。
本发明另一目的是提供所述新型纳米金属氧化物铁、铝、钛复合改性石英砂滤料的制备方法。
本发明上述目的通过以下技术方案实现:
本发明提供了一种新型纳米金属氧化物铁、铝、钛复合改性石英砂滤料,是采用两次高温煅烧的复合制备技术,先以三氯化铁为改性剂原料,再以三氯化铝和四氯化钛为改性剂原料制备得到。
本发明还提供了一种所述新型纳米金属氧化物铁、铝、钛复合改性石英砂滤料的制备方法,步骤如下:
S1.准备原料:普通石英砂、三氯化铁溶液、三氯化铝溶液和四氯化钛乙醇溶液;
S2.第一次高温煅烧:将三氯化铁溶液与普通石英砂混合均匀,低温热处理烘干,然后迅速高温热处理,得到第一次改性石英砂;
S3.第二次高温煅烧:待第一次改性石英砂冷却至室温,将三氯化铝溶液、四氯化钛乙醇溶液混合均匀之后,再与第一次改性石英砂混合均匀,低温热处理烘干,然后迅速高温热处理,冲洗烘干,即得到新型纳米金属氧化物铁、铝、钛复合改性石英砂。
优选地,步骤S1所述三氯化铁溶液、三氯化铝溶液和四氯化钛乙醇溶液的浓度均为1.50~3.00mol/L。
步骤S2所述混合是以每克普通石英砂计,三氯化铁溶液的量为0.10~0.17mL/g。
步骤S3所述混合是以每克普通石英砂计,三氯化铝溶液的量为0.12~0.30mL/g,四氯化钛乙醇溶液的量为0.02~0.10mL/g。
优选地,步骤S2或S3所述低温热处理烘干是在烘干箱中80~130℃烘干水分直至完全干燥。
步骤S2所述高温热处理是迅速置于300~530℃马弗炉中高温热处理2.5~4.0h。
步骤S3所述高温热处理是迅速置于210~370℃马弗炉中高温热处理2.0~3.5h。
其中,最优选的方案为:步骤S1所述三氯化铁溶液、三氯化铝溶液和四氯化钛乙醇溶液的浓度均为2.000mol/L。
步骤S2所述混合是以每克普通石英砂计,三氯化铁溶液的量为0.10~0.15mL/g。
步骤S2或S3所述低温热处理烘干是在烘干箱中100~120℃烘干水分直至完全干燥。
步骤S2所述高温热处理是迅速置于300~400℃马弗炉中高温热处理2.5~4.0h。
步骤S3所述混合是以每克普通石英砂计,三氯化铝溶液的量为0.12~0.16mL/g,四氯化钛乙醇溶液的量为0.04~0.07mL/g。
步骤S3所述高温热处理是迅速置于210~240℃马弗炉中高温热处理2.5~3.0h。
本发明制备方法制备得到的新型纳米金属氧化物铁、铝、钛复合改性石英砂滤料在净化处理污染水方面的应用,也在本发明的保护范围之内。尤其是针对处理多种污染物污染严重的污水,更能显示出其优势。
本发明公开了一种新型纳米金属氧化物铁、铝、钛复合改性石英砂滤料及其制备方法。所述新型纳米金属氧化物铁、铝、钛复合改性石英砂滤料是以三氯化铁溶液、三氯化铝溶液和四氯化钛的乙醇溶液为改性剂原料,采用两次高温煅烧的复合制备技术制备得到(下简称:纳米金属复合改性石英砂)。
发明人长期致力于改性滤料的研究,实验发现在制备纳米金属氧化物铁、铝、钛复合改性石英砂的过程中,改性剂的投加顺序、剂量、混合方式、以及温度等条件是非常关键的。如改性剂的投加顺序必须是先加铁,即必须是铁作为第一层;钛或铝均不能作为第一层,因为钛或铝做第一层会使表面不均匀,致使第二层黏附不牢固,表面金属脱附非常严重。另外,第二次煅烧的时候,必须先将铝钛混合后,再与第一次改性石英砂混合,才能形成稳健吸附强度,不会脱落的改性砂;钛单独投加到其他改性砂表面,会使得原有固结在表面的改性剂脱落;三者混合投加也会造成脱附很厉害。铝钛混合方法是直接混合,一定不能加热混合,否则四氯化钛改性剂会挥发。
发明人经过大量的探索,克服了不同改性剂相互间的作用、影响和缺点组合,探究出所述新型纳米金属氧化物铁、铝、钛复合改性石英砂滤料的制备工艺,成功地综合了这三种改性剂制造出来的改性石英砂拥有的去除不同污染物的优势,将多种改性剂的优点有机结合在一起,一方面提高了改性滤料对有机污染物的去除效率,解决了传统改性滤料对污染物种类去除的局限性问题,拓展了钛金属在滤料复合改性领域当中的应用;另一方面,改性剂在氧化过程当中的相互作用,使得纳米金属氧化物铁、铝、钛复合改性石英砂的附着强度增强,更符合于供水企业实际运营的使用。而且α-Fe2O3、γ-A12O3和TiO2在水环境中羟基生成的速率较快,使得石英砂表面的吸附容量大幅提高,从而改进了传统改性石英砂制备工艺的不足,进一步优化了石英砂改性滤料的制备工艺条件。
该滤料包括石英砂载体及包裹于所述载体上的纳米复合氧化金属吸附层,整体为瘤球状。石英砂载体粒半径大小为0.6~2.0mm。纳米复合氧化金属吸附层主要由Fe2O3、Al2O3和TiO2颗粒组成,厚度为60~80μm,滤料表面孔隙孔径的大小为100nm~2200nm。经BET比表面积测定显示,本滤料的比表面积较普通石英砂提高30~50倍,极大提高了滤料的吸附容量。同时,吸附范围更广,解决了传统改性滤料对污染物质去除能力有限的问题,吸附容量是第一次改性石英砂IOCS的3.0~4.0倍,本发明制备工艺方法简单,生产成本低廉,单位制备成本是纳米氧化铁改性石英砂的七分之一,具有吸附性能与产品价格上的优势,有很大的推广应用价值和前景。
本发明新型纳米金属氧化物铁、铝、钛复合改性石英砂滤料的制备方法是以纳米金属复合改性石英砂作为对象,以表面金属氧化物的附着强度以及有机物静态吸附实验的效果为评价指标,采用正交试验、连续性试验等方法结合,通过对纳米金属复合改性石英砂表面金属氧化物负载量及比例、附着强度的测定分析,研究了三氯化铁溶液、三氯化铝溶液和四氯化钛乙醇溶液的投加量和投加顺序、煅烧温度和煅烧时间等对制备复合改性石英砂的影响,并获取了最佳的制备工艺条件,获得了吸附容量更大、附着强度更高、投资成本低且易于再生的纳米金属复合改性石英砂,为国内外改性石英砂的制备工艺优化及其应用于实际生产工艺方面的研究提供了理论依据与技术支持。
经过大量重复验证发现,本发明纳米金属氧化物铁、铝、钛复合改性石英砂能迅速高效地去除污染水源中的有机物、细菌、藻类和重金属离子,从而达到净化水质的目的。作为滤料,本发明在常规水处理中能以更高的吸附容量增加滤料的过滤周期,降低运营的成本;作为水质处理材料,本发明能高效迅速地应对突发水质事故。对高分子有机物去除率能达到接近98%,对藻类、细菌和重金属离子的去除率能达到接近100%。
另外,有一点值得说明的是,在制备复合改性石英砂的过程中总是会出现一个现象,引起了发明人的注意:在第一次煅烧以后,按配比投加三氯化铝和四氯化钛的混合溶液后,混合均匀,砂子表面覆盖了一层黄色油状物,有弱粘性,散发出刺激性气味,砂子表面出现了一种油光的表面特征;烘干后,气味残留小部分,油状物和粘性消失;煅烧后,产出一种吸附容量大的改性砂,即本发明的纳米金属复合改性石英砂。发明人猜测本发明制备的纳米复合氧化金属吸附层可能不仅仅包括Fe2O3、Al2O3和TiO2颗粒,还可能是Fe2O3、Al2O3、TiO2与普通石英砂中的几种发生了某种化学反应生成了某类物质,从而产生了表面油光的现象;也有可能是在制备过程中生成了酸,四氯化钛的乙醇溶液中的乙醇与酸反应形成了酯类物质,诱发了气味和油状物。由于这一现象在现有的改性石英砂技术中并未有出现,而本发明制备的纳米金属复合改性石英砂无论是吸附容量、吸附强度、吸附范围等都得到了质的提升,因此我们可以大胆的推测,或许这一现象与本发明复合改性石英砂的优良性能有着必然的联系。至于具体产生这种现象的是什么物质及其形成的机制、所起的作用、是否与产品的优良性能有关系还不得而知,发明人正致力于这一现象的解释研究,以期更进一步的揭开本发明复合改性石英砂具有非常优良特性的本质原因。
本发明具有以下有益效果:
本发明提供了一种新型纳米金属氧化物铁、铝、钛复合改性石英砂滤料及其制备方法。采用两次高温煅烧的复合制备技术对石英砂进行改性,引入了钛金属盐作为改性剂之一,与铝盐、铁盐按一定比例和时间顺序组合,把复合材料制备的技术应用于滤料的改性方面,所得纳米金属复合改性石英砂克服了不同改性剂相互间的作用、影响和缺点组合,成功地将多种改性剂的优点有机结合在一起,一方面解决了传统改性滤料对污染物种类去除的局限性问题,对各种有机或无机污染物质的去除效果达到最佳,包括水中矿物颗粒、重金属离子、有机物、病毒、浊度、藻细胞等污染物,对腐植酸原水的去除率高达96.49%,明显优于第一次氧化铁改性石英砂,对腐植酸等有机物的静态吸附效果由普通石英砂的8.18~24.55%提高到89.85~97.93%,同时也拓展了钛金属在滤料复合改性领域当中的应用;另一方面,改性剂在氧化过程当中的相互作用,使得纳米金属氧化物铁、铝、钛复合改性石英砂的附着强度增强,表面金属脱附率降低,更符合于供水企业实际运营的使用。而且α-Fe2O3、γ-A12O3和TiO2在水环境中羟基生成的速率较快,使得石英砂表面的吸附容量大幅提高,从而改进了传统改性石英砂制备工艺的不足,进一步优化了石英砂改性滤料的制备工艺条件。
在第一次煅烧以后,按配比投加三氯化铝和四氯化钛的混合溶液,混合均匀,砂子表面覆盖了一层黄色油状物,有弱粘性,散发出刺激性气味,砂子表面出现了一种油光的表面特征;烘干后,气味残留小部分,油状物和粘性消失;煅烧后,产出一种吸附容量大的改性砂,即本发明的纳米金属复合改性石英砂。可能是本发明制备过程中发生了复杂的化学反应,才使得本发明制备的复合改性石英砂具有各方面都非常优良的性能。
另外,经BET比表面积测定显示,本滤料的比表面积较普通石英砂提高30~50倍,极大提高了滤料的吸附容量;且纳米金属复合改性石英砂表面完满地包覆着带正电的混合金属氧化物,该氧化物对带负电的有机污染物、超标离子和无机物等有很强物理、化学作用的吸附能力。同时,本发明制备纳米金属复合改性石英砂的工艺方法简单,单位制备成本是纳米氧化铁改性石英砂的1/10~1/5,生产成本低廉,便于工业化生产,且首期投资费用低,具有吸附性能与产品价格上的优势,有很大的推广应用价值和前景。
本发明通过大量研究和探索,确定了最佳的制备工艺影响因子的控制条件。通过该最佳的制备工艺条件,能够获得吸附容量更大、附着强度更高、吸附范围更广、吸附速度快、投资成本低且易于再生的纳米金属复合改性石英砂滤料,为国内外改性石英砂的制备工艺优化及其应用于实际生产工艺方面的研究提供了理论依据与技术支持。
附图说明
图1为本发明新型纳米金属氧化物铁、铝、钛复合改性石英砂的制备流程图;图中,低温热处理:将混合物置于80~130℃烘干箱中烘干水分,直至完全干燥;高温热处理:将低温热处理后的混合物迅速转移到马弗炉中煅烧。
图2为本发明新型纳米金属氧化物铁、铝、钛复合改性石英砂的实物图。
图3为普通石英砂、第一次改性石英砂和本发明纳米金属复合改性石英砂的SEM扫描电镜图。
图4为本发明纳米金属复合改石英性砂连续性试验对腐植酸静态吸附的去除效果。
图5为新型给水处理工艺小试实验装置中的动态过滤装置图。
图6为本发明纳米金属复合改石英性砂连续性试验对腐植酸动态过滤的去除效果。
图7为不同滤料连续性试验对腐植酸静态吸附的去除效果。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例来进一步说明本发明,但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明,本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
除非特别说明,本发明所用试剂和材料均为市购。
以下实施例中,纳米金属复合改性石英砂制备所需设备:
HH-S4电热恒温水浴锅天平(2006,上海);
DHG-9145型干燥箱(2006,上海);
SX2-5-12型电阻炉(2006,北京)。
纳米金属复合改性石英砂指标检测设备:
T6型紫外分光光度计(2006,北京);
S3400N扫描电子显微镜(2008,日立公司);
BET比表面积测试仪F-Sorb2400(2011,北京);
新型给水处理工艺小试试验装置等。
实施例1本发明纳米金属氧化物铁、铝、钛复合改性石英砂滤料的制备工艺
1、原料准备
(1)按照表1的数据准备原料:
表1
原料 浓度(mol/L) 原料配比(每克石英砂) 备注
普通石英砂 / / 粒径0.6~2.0mm
三氯化铁溶液 1.500~3.000 0.10~0.17mL /
三氯化铝溶液 1.500~3.000 0.12mL~0.30mL /
四氯化钛溶液 1.500~3.000 0.02mL~0.10mL 溶剂为乙醇溶液
(2)原料的处理
普通石英砂:筛取直径为0.6~2.0mm,经pH=1的HCl溶液酸浸12~24h,然后经蒸馏水洗净至中性后,置80~130℃烘箱烘干,室温冷却装入聚乙烯瓶中待用。
三氯化铁改性剂:准确称取202.875~405.750g六水合三氯化铁(分析纯)溶于蒸馏水中,转移至500mL的容量瓶,蒸馏水定容至500mL,摇匀,此溶液中三氯化铁浓度为1.50~3.00mol/L。每克石英砂投加三氯化铁溶液的量称为三氯化铁投加比C1,单位mL/g。
三氯化铝改性剂:准确称取181.073~362.145g结晶三氯化铝(分析纯)溶于蒸馏水中,转移至500mL的容量瓶,蒸馏水定容至500mL,摇匀,此溶液中三氯化铝浓度为1.50~3.00mol/L。每克石英砂投加三氯化铝溶液的量称为三氯化铝投加比C2,单位mL/g。
四氯化钛改性剂:在通风柜中保持20℃,准确移取16.47~32.93mL四氯化钛(分析纯)溶于80mL无水乙醇中,转移至100mL的容量瓶,无水乙醇定容至100mL,摇匀,此溶液中四氯化钛浓度为1.50~3.00mol/L。每克石英砂投加四氯化钛溶液的量称为四氯化钛投加比C3,单位mL/g。
2、复合改性石英砂滤料的制备流程
制备流程如附图1所示,采用了两次高温煅烧的复合制备技术对石英砂进行改性,以三氯化铁为改性剂,对普通石英砂进行第一次煅烧制备出第一次改性石英砂,再以三氯化铝和四氯化钛混合物为改性剂对制备出的第一次改性石英砂进行第二次煅烧制备出金属氧化物铁、铝、钛复合改性石英砂。图1中,低温热处理是指将混合物置于80~130℃烘干箱中烘干水分直至完全干燥;高温热处理是指将低温热处理后的混合物迅速转移到马弗炉中煅烧,使改性剂充分氧化。
以表面金属氧化物的附着强度以及有机物静态吸附实验的效果为评价指标,正交实验以及连续性实验结合确定纳米金属复合改性石英砂的制备工艺条件。
3、第一次煅烧时间t1和第一次煅烧温度T1的确定
以铁的负载量M(mg/g)、铁的负载强度β(%)以及有机物去除率η(%)为评价指标,采用多指标正交实验方法(如表2、表3、表4、表5所示),确定FeCl3投加比C1、第一次煅烧时间t1和第一次煅烧温度T1的取值范围,再采用单因素的连续性试验,确定得到生产氧化铁改性石英砂的工艺条件为:C1=0.10~0.15mL/g;t1=2.5~4.0h;T1=300~400℃。
表2改性石英砂试验水平因素表
因素 1 2 3
内容 FeCl3投加比C(mL/g) 一次煅烧时间t1(h) 一次煅烧温度T1(℃)
水平 1、2、3 1、2、3 1、2、3
数值 0.100、0.150、0.200 2.0、3.5、5.0 250、350、450
表3改性石英砂制备条件对铁的负载量的影响
所在列 1 2 3 4
因素 投加比 煅烧时间 煅烧温度 实验结果
实验1 1 1 1 1 415.94
实验2 1 2 2 2 447.98
实验3 1 3 3 3 381.54
实验4 2 1 2 3 444.51
实验5 2 2 3 1 438.76
实验6 2 3 1 2 398.6
实验7 3 1 3 2 435.11
实验8 3 2 1 3 437.09
实验9 3 3 2 1 355.97
均值1 415.153 431.853 417.210 403.557
均值2 427.290 441.277 416.153 427.230
均值3 409.390 378.703 418.470 421.047
极差 17.900 62.574 2.317 23.673
表4改性石英砂制备条件对铁的负载强度的影响
所在列 1 2 3 4
因素 投加比 煅烧时间 煅烧温度 实验结果
实验1 1 1 1 1 78.611
实验2 1 2 2 2 94.75478
实验3 1 3 3 3 91.0729
实验4 2 1 2 3 94.58848
实验5 2 2 3 1 92.74951
实验6 2 3 1 2 96.68776
实验7 3 1 3 2 96.7299
实验8 3 2 1 3 96.79509
实验9 3 3 2 1 95.8063
均值1 88.146 89.976 90.898 89.056
均值2 94.675 94.766 95.050 96.057
均值3 96.444 94.522 93.517 94.152
极差 8.298 4.790 4.352 7.001
表5改性石英砂制备条件对有机物去除率的影响
所在列 1 2 3 4
因素 投加比 煅烧时间 煅烧温度 实验结果
实验1 1 1 1 1 15.49
实验2 1 2 2 2 88.3
实验3 1 3 3 3 38.44
实验4 2 1 2 3 92.5
实验5 2 2 3 1 94.91
实验6 2 3 1 2 41.3
实验7 3 1 3 2 50.48
实验8 3 2 1 3 52.2
实验9 3 3 2 1 42.45
均值1 47.410 52.823 36.330 50.950
均值2 76.237 78.470 74.417 60.027
均值3 48.377 40.730 61.277 61.047
极差 28.827 37.740 38.087 10.097
4、复合改性石英砂制备工艺条件的确定
采用多指标正交实验方法(见表6、表7),以复合改性石英砂30分钟对腐植酸静态吸附去除率η(%)为评价指标,确定FeCl3、AlCl3、TiCl4相对原始石英砂质量的投加比C1、C2、C3,第二次煅烧时间t2和第二次煅烧温度T2的取值范围,再采用单因素的连续性试验,确定生产氧化铁改性石英砂的工艺条件为:C1=0.10~0.17mL/g;C2=0.12~0.30mL/g;C3=0.02~0.10mL/g;t2=2.0~3.5h;T2=210~370℃。
表6纳米金属复合改性石英砂试验水平因素表
表7纳米金属复合改性石英砂制备条件对评价指标的影响
所在列 1 2 3 4 5
因素 投铁量 投铝量 投钛量 煅烧时间 煅烧温度 实验结果
实验1 1 1 1 1 1 95.233
实验2 1 2 2 2 2 97.927
实验3 1 3 3 3 3 97.388
实验4 1 4 4 4 4 97.388
实验5 2 1 2 3 4 97.388
实验6 2 2 1 4 3 89.846
实验7 2 3 4 1 2 92.539
实验8 2 4 3 2 1 94.694
实验9 3 1 3 4 2 96.29
实验10 3 2 4 3 1 97.373
实验11 3 3 1 2 4 96.29
实验12 3 4 2 1 3 96.832
实验13 4 1 4 2 3 96.832
实验14 4 2 3 1 4 96.29
实验15 4 3 2 4 1 96.832
实验16 4 4 1 3 2 94.123
均值1 96.984 96.436 93.873 95.224 96.033
均值2 93.617 95.359 97.245 96.436 95.220
均值3 96.696 95.762 96.166 96.568 95.225
均值4 96.019 95.759 96.033 95.089 96.839
极差 3.367 1.077 3.372 1.479 1.619
综上所述,本发明制备新型纳米金属氧化物铁、铝、钛复合改性石英砂的过程如附图1所示,具体步骤为:
S1.准备原料:普通石英砂;浓度均为1.50~3.00mol/L的三氯化铁溶液、三氯化铝溶液和四氯化钛乙醇溶液。
S2.第一次高温煅烧:将三氯化铁溶液与普通石英砂充分混合,置于烘干箱中80~130℃烘干水分直至完全干燥,再将处理后的混合物迅速置于300~530℃马弗炉中高温热处理2.5~4.0h,取出得到第一次改性石英砂。
S3.第二次高温煅烧:待第一次改性石英砂冷却至室温后,将三氯化铝溶液、四氯化钛乙醇溶液和第一次改性石英砂充分混合,将混合物置于烘干箱中80~130℃烘干水分直至完全干燥,再将处理后的混合物迅速置于210~370℃马弗炉中高温热处理2.0~3.5h,即得到纳米金属氧化物铁、铝、钛复合改性石英砂。
S4.获得的复合改性石英砂冲洗烘干后,装入聚乙烯瓶中备用。
其中,S2所述三氯化铁溶液与普通石英砂混合的比例为0.10~0.17mL/g。
S3所述混合是以每克普通石英砂计,三氯化铝溶液的量为0.12~0.30mL/g,四氯化钛乙醇溶液的量为0.02~0.10mL/g。
这里,有一点值得说明的是,在制备复合改性石英砂的过程中总是会出现一个现象,引起了发明人的注意:在第一次煅烧以后,按配比投加三氯化铝和四氯化钛的混合溶液后,混合均匀,砂子表面覆盖了一层黄色油状物,有弱粘性,散发出刺激性气味,砂子表面出现了一种油光的表面特征;烘干后,气味残留小部分,油状物和粘性消失;煅烧后,产出一种吸附容量大的改性砂,即本发明的纳米金属复合改性石英砂。发明人猜测本发明制备的纳米复合氧化金属吸附层可能不仅仅包括Fe2O3、Al2O3和TiO2颗粒,还可能是Fe2O3、Al2O3、TiO2与普通石英砂中的几种发生了某种化学反应生成了某类物质,从而产生了表面油光的现象;也有可能是在制备过程中生成了酸,四氯化钛的乙醇溶液中的乙醇与酸反应形成了酯类物质,诱发了气味和油状物。
由于这一现象在现有的改性石英砂技术中并未有出现,而本发明制备的纳米金属复合改性石英砂无论是吸附容量、吸附强度、吸附范围等都得到了质的提升,因此我们可以大胆的推测,或许这一现象与本发明复合改性石英砂的优良性能有着必然的联系。至于具体产生这种现象的是什么物质及其形成的机制、所起的作用、是否与产品的优良性能有关系还不得而知,发明人正致力于这一现象的解释研究,以期更进一步的揭开本发明复合改性石英砂具有非常优良特性的本质原因。
实施例2纳米金属氧化物铁、铝、钛复合改性石英砂滤料制备工艺优化
本实施例根据实施例1所得的制备工艺,进一步进行优选以期获得各方面性能最佳的纳米金属氧化物铁、铝、钛复合改性石英砂滤料,经过大量的实验与验证,在实施例1的可实施方案的基础上,确定了复合改性石英砂滤料最佳的制备工艺过程如附图1所示,具体步骤如下:
S1.准备原料:普通石英砂、三氯化铁溶液、三氯化铝溶液和四氯化钛乙醇溶液;
S2.第一次高温煅烧:将三氯化铁溶液与普通石英砂混合均匀,低温热处理烘干,然后迅速高温热处理,得到第一次改性石英砂;
S3.第二次高温煅烧:待第一次改性石英砂冷却至室温,将三氯化铝溶液、四氯化钛乙醇溶液混合均匀之后,再与第一次改性石英砂混合均匀,低温热处理烘干,然后迅速高温热处理,冲洗烘干,即得到新型纳米金属氧化物铁、铝、钛复合改性石英砂。
其中,步骤S1所述三氯化铁溶液、三氯化铝溶液和四氯化钛乙醇溶液的浓度均为2.000mol/L。
步骤S2所述混合是以每克普通石英砂计,三氯化铁溶液的量为0.10~0.15mL/g。
步骤S2或S3所述低温热处理烘干是在烘干箱中80~130℃烘干水分直至完全干燥。
步骤S2所述高温热处理是迅速置于300~400℃马弗炉中高温热处理2.5~4.0h。
步骤S3所述混合是以每克普通石英砂计,三氯化铝溶液的量为0.12~0.16mL/g,四氯化钛乙醇溶液的量为0.04~0.07mL/g。
步骤S3所述高温热处理是迅速置于210~240℃马弗炉中高温热处理2.5~3.0h。
实施例3制备纳米金属氧化物铁、铝、钛复合改性石英砂滤料
本实施例通过以下步骤制备出纳米金属氧化物铁、铝、钛复合改性石英砂滤料:
S1.准备原料:普通石英砂,浓度均为2.000mol/L的三氯化铁溶液、三氯化铝溶液和四氯化钛乙醇溶液;
S2.第一次高温煅烧:以每克普通石英砂计,将0.12mL三氯化铁溶液与普通石英砂混合均匀,在烘干箱中108℃烘干水分直至完全干燥,然后迅速置于330℃马弗炉中高温热处理2.5~4.0h,得到第一次改性石英砂;
S3.第二次高温煅烧:待第一次改性石英砂冷却至室温,以每克普通石英砂计,将0.12mL三氯化铝溶液、0.07mL四氯化钛乙醇溶液混合均匀之后,再与第一次改性石英砂混合均匀,在烘干箱中108℃烘干水分直至完全干燥,然后迅速置于210℃马弗炉中高温热处理2.5~3.0h,冲洗烘干,即得到新型纳米金属氧化物铁、铝、钛复合改性石英砂。
实施例4本发明制备的纳米金属复合改性石英砂BET比表面积等的测定
1、比表面积的大小反应颗粒负载容量的大小,比表面积的大小可以通过SBET值来衡量。使用BET比表面积测试仪F-Sorb2400(2011,北京)对普通石英砂、第一次改性石英砂以及纳米金属复合改性石英砂进行比表面积的测定,并计算出改性石英砂的比表面积与普通石英砂的比表面积之比,比较得出改性的效果,结果如表8所示。
由表8可知,第一次改性石英砂的比表面积为普通石英砂比表面积的11.57倍,纳米金属复合改性石英砂的比表面积为普通石英砂比表面积的39.10倍,是第一次改性石英砂的3.0~4.0倍。
表8复合改性石英砂滤料的BET比表面积测定结果
2、本发明制备的纳米金属复合改性石英砂包括石英砂载体及包裹于所述载体上的纳米复合氧化金属吸附层,整体为瘤球状。石英砂载体粒半径大小为0.6~2.0mm。纳米复合氧化金属吸附层主要由Fe2O3、Al2O3和TiO2颗粒组成,厚度为60~80μm,滤料表面孔隙孔径的大小为100nm~2200nm。本发明复合改性石英砂的实物图如附图2所示。粒径大小以及煅烧成色均匀,表面金属氧化物附着强度高,不易脱落。
本发明复合改性石英砂的SEM扫描电镜图如附图3所示,图中a为未改性的砂子表面(5000倍);b为氧化铁改性石英砂表面(10000倍);c~d为纳米金属复合改石英性砂表面(c为7500倍;d为10000倍)。
结合表10和图3(a),普通石英砂的表面平整,比表面积小,吸附容量小。图3(b)中第一次改性石英砂在电镜条件下放大10000倍,可观察到其表面具有十分清晰密集的孔隙,比表面积大,具有较高的吸附容量。图3(c)、(d)是复合改性石英砂表面放大7500和10000倍的扫描电镜图,可以看出纳米金属复合改性石英砂成功地在第一次改性石英砂表面继续进行改性,使得纳米金属复合改性石英砂具有比第一次改性石英砂更粗糙的表面、更大的比表面积以及更大的吸附容量。
实施例5本发明制备的纳米金属复合改性石英砂吸附过滤性能测定
1、纳米金属复合改性石英砂静态吸附对腐植酸的去除
称取纳米金属复合改性石英砂5g,置于250mL三角瓶中,加入150mL的腐植酸原水(浓度为5mg/L),将三角瓶置于震荡器中,20℃,100r/min震荡0.5~3h,直至达到吸附平衡。静置半小时后,用移液管吸取上清液,测UV254并计算静态吸附去除率η(%)。结果如表9和附图4所示。
表9纳米金属复合改石英性砂静态吸附腐植酸的去除率
时间(h) 0.5 1 1.5 2 2.5 3
腐植酸去除率(%) 89.85 97.93 97.39 97.37 97.93 97.39
由表9、图4可以说明,在吸附运行30min后,纳米金属复合改性石英砂对腐植酸的去除率就达到了89.85%;运行1小时,就能达到吸附平衡,并且腐植酸去除率能达到接近98%。
2、纳米金属复合改性石英砂动态过滤对腐植酸的去除
通过小试实验动态测定纳米金属复合改性石英砂对腐植酸的过滤去除效果,新型给水处理工艺小试实验装置中的动态过滤装置如附图5所示。图中三个滤柱分别填充80mm厚的普通石英砂、第一次改性石英砂和纳米金属复合改性石英砂。该装置具备气水反冲洗功能,可控制进出水流量,气冲、水冲压力可调。滤柱每隔12mm有一个测压取样口。
过滤原水腐植酸浓度为3.000~5.000mg/L,过滤速度为6m/h,连续运行12h,每一小时取样测量一次数据。结果显示,普通石英砂对腐植酸原水则几乎没有去除效果。纳米金属复合改性石英砂动态过滤对腐植酸的去除效果如表10和图6所示。
表10纳米金属复合改性石英砂动态过滤对腐植酸的去除效果
时间(h) 腐植酸去除率(%)
1 96.49
2 85.07
3 78.79
4 76.91
5 67.55
6 63.81
7 59.44
8 60.06
9 60.06
10 58.95
11 55.62
12 50.47
由表10、图6可知,纳米金属复合改性石英砂对原水中的污染物腐植酸的去除率最高可达96.49%。
实施例6不同滤料对腐植酸静态吸附性能的比较
使用普通石英砂,第一次改性石英砂以及本发明纳米金属复合改性石英砂作为滤料,进行静态吸附试验,在20℃下,以100r/min的速度震荡,其他吸附实验步骤及条件同实施例3。
结果如附图7所示,在达到吸附平衡时,普通石英砂,第一次改性石英砂以及纳米金属复合改性石英砂对腐植酸的去除率分别为22.91%、78.92%和97.93%。纳米金属复合改性石英砂比第一次改性石英砂对腐植酸去除率提高了19.01%,是普通石英砂对腐植酸去除能力的4.27倍。另外,本发明纳米金属氧化物铁、铝、钛复合改性石英砂静态吸附达到饱和时间小于1h,比其余两种滤料耗时更短。
另外,经过实验发现,针对浊度为1~3的原水,普通石英砂,第一次改性石英砂和本发明复合改性石英砂的过滤周期分别是20~30h、30h左右和48h左右,表明本发明复合改性石英砂的吸附容量明显大于普通石英砂和第一次改性石英砂。
本发明制备的纳米金属复合改性石英砂不仅仅能够综合三种改性剂的优势,更使得相互之间产生了促进和协同作用,获得了吸附容量更大、附着强度更高、吸附范围更广、吸附速度快、投资成本低且易于再生的纳米金属复合改性石英砂滤料,具有吸附性能与产品价格的双重优势,有很大的推广应用前景。

Claims (9)

1.一种纳米金属氧化物铁、铝、钛复合改性石英砂滤料,其特征在于,由如下制备方法制备得到:
S1.准备原料:普通石英砂、三氯化铁溶液、三氯化铝溶液和四氯化钛乙醇溶液;
S2.第一次高温煅烧:将三氯化铁溶液与普通石英砂混合均匀,低温热处理烘干,然后迅速高温热处理,得到第一次改性石英砂;
S3.第二次高温煅烧:待第一次改性石英砂冷却至室温,将三氯化铝溶液、四氯化钛乙醇溶液混合均匀之后,再与第一次改性石英砂混合均匀,低温热处理烘干,然后迅速高温热处理,冲洗烘干,即得到纳米金属氧化物铁、铝、钛复合改性石英砂。
2.根据权利要求1所述纳米金属氧化物铁、铝、钛复合改性石英砂滤料,其特征在于,步骤S1所述三氯化铁溶液、三氯化铝溶液和四氯化钛乙醇溶液的浓度均为1.50~3.00mol/L;
步骤S2所述混合是以每克普通石英砂计,三氯化铁溶液的量为0.10~0.17mL/g;
步骤S3所述混合是以每克普通石英砂计,三氯化铝溶液的量为0.12~0.30mL/g,四氯化钛乙醇溶液的量为0.02~0.10mL/g。
3.根据权利要求1所述纳米金属氧化物铁、铝、钛复合改性石英砂滤料,其特征在于,步骤S2或S3所述低温热处理烘干是在烘干箱中80~130℃烘干水分直至完全干燥;
步骤S2所述高温热处理是迅速置于300~530℃马弗炉中高温热处理2.5~4.0h;
步骤S3所述高温热处理是迅速置于210~370℃马弗炉中高温热处理2.0~3.5h。
4.根据权利要求1或2所述纳米金属氧化物铁、铝、钛复合改性石英砂滤料,其特征在于,步骤S1所述三氯化铁溶液、三氯化铝溶液和四氯化钛乙醇溶液的浓度均为2.000mol/L;
步骤S2所述混合是以每克普通石英砂计,三氯化铁溶液的量为0.10~0.15mL/g。
5.根据权利要求1或2所述纳米金属氧化物铁、铝、钛复合改性石英砂滤料,其特征在于,步骤S3所述混合是以每克普通石英砂计,三氯化铝溶液的量为0.12~0.16mL/g,四氯化钛乙醇溶液的量为0.04~0.07mL/g。
6.根据权利要求1或3所述纳米金属氧化物铁、铝、钛复合改性石英砂滤料,其特征在于,步骤S2或S3所述低温热处理烘干是在烘干箱中100~120℃烘干水分直至完全干燥。
7.根据权利要求1或3所述纳米金属氧化物铁、铝、钛复合改性石英砂滤料,其特征在于,步骤S2所述高温热处理是迅速置于300~400℃马弗炉中高温热处理2.5~4.0h。
8.根据权利要求1或3所述纳米金属氧化物铁、铝、钛复合改性石英砂滤料,其特征在于步骤S3所述高温热处理是迅速置于210~240℃马弗炉中高温热处理2.5~3.0h。
9.权利要求1~8任一所述纳米金属氧化物铁、铝、钛复合改性石英砂滤料在净化处理污染水方面的应用。
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