CN104607142A - 微纳分级结构MgO/MgCO3复合物及其作为除氟剂的应用 - Google Patents

微纳分级结构MgO/MgCO3复合物及其作为除氟剂的应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微纳分级结构MgO/MgCO3复合物及其作为除氟剂的应用。本发明的微纳分级结构MgO/MgCO3复合物是利用低于100℃水浴装置低能耗、简单易操作等特点，采用廉价的无机盐为原料，制备出均匀的微纳分级结构MgO/MgCO3复合物并将其作为除氟剂均匀的分散在水中吸附水中的氟离子。本发明微纳分级结构MgO/MgCO3复合物除氟剂的微纳分级结构增加了材料的比表面积，提高了材料吸附氟的表面活性位点，从而大大的提升了该吸附剂的除氟效果。本发明的微纳分级结构MgO/MgCO3复合物除氟剂对水中pH值适用范围广，其在含氟水处理中具有显著的应用效果。

Description

微纳分级结构MgO/MgCO3复合物及其作为除氟剂的应用
技术领域
    本发明涉及微纳分级结构MgO/MgCO3复合物及其作为除氟剂的应用，具体的说，是涉及一种微纳分级结构MgO/MgCO3复合物，该复合物材料可以实现对水中氟离子的有效去除，属于环境处理的技术领域。
背景技术
氟是与人体健康密切相关的一种微量生命元素，主要分布于人体的骨骼和牙齿之中。氟化物广泛的存在于自然界的水体之中，水中适量氟的存在对人体健康是有益的。然而过高的摄氟量将会导致人类和动植物的机体中毒。有报道称水中氟离子浓度为 2mg/L 时会产生明显的氟斑牙，8mg/L 时约有 10%的人群骨硬化，20~80 mg/L 时出现残废性氟中毒。还有报道称当食物和饮水中氟离子浓度为 50 mg/L 时将导致死亡。因此，我们在关注高氟水对人体的危害时，应对水中氟离子的含量高度重视。为此，国家规定我国生活饮用水中氟含量为 0.5~1.0mg/L。世界卫生组织（WHO）制定的饮用水卫生标准中规定 F-浓度为0.7~1.5mg/L，F-浓度大于 1.0mg/L 的统称为高氟水。因此为了减少和防止氟病发率，控制饮用水中F-的含量是十分必要的。
目前，我国的饮用水除氟技术和设施还没有形成统一的规范，市场上常用的除氟技术是吸附法和膜分离法。相对于膜分离法，吸附法使用简单、低成本和有效等优点，所以吸附法被认为是经济、环境友好、有效的方法。
现在，市场上通用的除氟吸附剂有活性氧化铝、羟基磷灰石、骨炭、沸石等。但这类材料对氟离子的吸附性能低、受pH值的影响比较大，所以对于一些高pH值地方的饮用水中高氟的去除带来了挑战。近年来镁的氧化物材料越来越受到人们的重视，它是良好的催化剂、吸附剂、离子交换剂和耐热材料，因此被广泛的应用于水处理的各个领域之中。镁的氧化物合成简单、易于分离、成本低廉并且可以重复利用，显示了其在含氟废水和重金属废水处理中的良好应用前景。目前，镁铝型类水滑石的研究最为深入，其应用也最为广泛，在去除水体中氟及重金属的研究中达到了理想的实验效果。
然而，目前纳米镁铝水滑石主要采用盐溶液与碱溶液共沉淀的方法，由于反应在同相中进行，反应速率快，造成局部浓度过高，可控性差，形成的颗粒往往大小不均，容易发生团聚凝结，且比表面积减小，分散差，氟吸附处理效果不好。
发明内容
本发明的目的是提供一种微纳分级结构MgO/MgCO3复合物以及将该复合物作为除氟剂造粒在实际除氟中的应用。
本发明的一种微纳分级结构MgO/MgCO3复合物，其采用以下步骤方法制备得到：
（1）搅拌下，将碳酸盐溶液缓慢滴加入镁盐溶液中，滴毕继续搅拌0.5～4小时，得乳白色悬浮液；
（2）将获得的乳白色悬浮液转到80-100℃的水浴装置中再继续剧烈搅拌反应0.5～2小时；
（3）反应结束后冷却、过滤、洗涤、干燥、高温烧结，得到微纳分级结构MgO/MgCO3复合物除氟剂，所述的MgO/MgCO3复合物比表面积为55～70 m2/g。
作为优选，步骤（1）中所述的镁盐溶液的质量浓度为2%～4%，碳酸盐溶液的质量浓度为10%～15%；镁盐与碳酸盐质量比为0.4～7.5，优选为0.5～5.0，更优选为1.0～2.0；所述的镁盐选自硝酸镁、硫酸镁、氯化镁等；碳酸盐选自碳酸钠、碳酸钾等；步骤（1）搅拌转速可以在400～700r/min，碳酸盐溶液以2～3滴/秒的速度滴加入镁盐溶液中为佳。
作为优选，步骤（3）中所述的干燥温度为50～90℃，时间为10～48小时。
作为优选，步骤（3）中所述的高温烧结温度为250～350℃，高温烧结退火处理3～5小时。
本发明所述微纳分级结构MgO/MgCO3复合物作为除氟剂的应用，其可采用（方法一）：将微纳分级结构MgO/MgCO3复合物均匀分散于待处理的水中，吸附4～12小时后，除去微纳分级结构MgO/MgCO3复合物，得到净化水。
本发明所述微纳分级结构MgO/MgCO3复合物作为除氟剂的应用，其还可采用下述步骤方法（方法二）：
（1）将微纳分级结构MgO/MgCO3复合物与海藻酸钠按质量比1:4～1:2混合溶于水中，得混合液；
（2）将混合液滴加入钙溶液中，陈化1～6小时，形成直径6~10 mm的小球，然后清洗、干燥成吸附剂小球；
（3）将吸附剂小球填充吸附柱，然后将待处理水自下而上通过吸附柱，得到净化水。
上述方法二所述应用中，步骤（1）所述MgO/MgCO3复合物和海藻酸钠的总质量与水的体积之间的配比为25: 0.8～25:1.2 g/L；步骤（2）所述钙溶液可为质量浓度2%～5%的氯化钙溶液；步骤（2）所述钙溶液与混合液的体积比为2～5：1。
本发明所述微纳分级结构MgO/MgCO3复合物作为除氟剂的应用，其还可采用下述步骤方法（方法三）：
（1）将微纳分级结构MgO/MgCO3复合物与壳聚糖按质量比1:4～1:2混合溶于有机弱酸溶液中，得混合液；
（2）将混合液逐滴滴入碱溶液，陈化8-15小时，形成直径为6~10 mm的小球，然后清洗、干燥成吸附剂小球；
（3）将吸附剂小球填充吸附柱，然后将待处理水自下而上通过吸附柱，得到净化水。
上述方法三所述应用中，步骤（1）所述有机弱酸溶液为质量浓度1%～3%的乙酸溶液为佳，所述MgO/MgCO3复合物和壳聚糖的总质量与乙酸溶液体积之间的配比为25: 0.8～25:1.2 g/L。
上述方法三所述应用中，步骤（2）所述碱溶液为质量浓度2%～6%的氢氧化钠溶液为佳，步骤（2）所述碱溶液与混合液的体积比为2～5:1。
本发明的微纳分级结构MgO/MgCO3复合物是利用低于100℃水浴装置低能耗、简单易操作等特点，采用廉价的无机盐（硝酸镁、硫酸镁、氯化镁、碳酸钾、碳酸钠）为原料，制备出均匀的微纳分级结构MgO/MgCO3复合物。
本发明以所得乳白色悬浮液即碱式碳酸镁悬浮液为前驱体，通过特定温度及其他条件处理得到微纳分级结构MgO/MgCO3复合物除氟剂。该除氟剂通过羟基和碳酸根与水中氟离子交换的新机理，大大提高了该除氟剂的除氟性能和除氟效率。同时，碳酸根的交换除氟新机理又克服了通常的除氟剂受pH值和阴干扰离子影响大的难题。
本发明微纳分级结构MgO/MgCO3复合物除氟剂的微纳分级结构增加了材料的比表面积，提高了材料吸附氟的表面活性位点，从而大大的提升了该吸附剂的除氟效果。另外，该方法制备的微纳分级结构MgO/MgCO3复合物除氟剂对水中pH值适用范围广。因此本发明的微纳分级结构MgO/MgCO3复合物除氟剂在含氟水处理中具有显著的应用效果。
附图说明
图1为实施例1微纳分级结构MgO/MgCO3复合物除氟剂的SEM电镜谱图。
图2为实施例1微纳分级结构MgO/MgCO3复合物除氟剂的X射线粉末衍射谱图。
图3为实施例1微纳分级结构MgO/MgCO3复合物除氟剂的FT-IR谱图。
图4为实施例1微纳分级结构MgO/MgCO3复合物除氟剂的氮气吸附-脱附曲线图。
图5为实施例1微纳分级结构MgO/MgCO3复合物除氟剂的孔径分布图。
图6为实施例1微纳分级结构MgO/MgCO3复合物除氟剂的等温吸附曲线谱图。
图7为实施例2微纳分级结构MgO/MgCO3复合物除氟剂的FT-IR谱图。
具体实施方式
下述实施例是对于本发明内容的进一步说明以作为对本发明技术内容的阐释，但本发明的实质内容并不仅限于下述实施例所述，本领域的普通技术人员可以且应当知晓任何基于本发明实质精神的简单变化或替换均应属于本发明所要求的保护范围。
下述实施例中，采用扫描电子显微镜（荷兰FEI公司FEI-Quanta 200环境扫描电子显微镜）观察吸附剂的形貌，通过X射线衍射仪 (荷兰PANalytical公司)和NEXUS-870傅里叶变换红外光谱仪 (美国Nicolet公司)对样品进行分析，使用Micromeritics ASAP 2020 M对吸附剂进行氮气吸脱附分析比表面积、粒径与孔径分布分析，采用E-201-C型pH复合电极和PXS-270型离子计(上海仪电科学仪器股份有限公司)检测水中氟离子浓度。
实施例1
步骤1：先配制100 ml 质量浓度为3.7%硝酸镁溶液并持续剧烈搅拌，然后将配制的20 ml 质量浓度为11.7%碳酸钠溶液缓慢的加入到硝酸镁溶液中，并继续搅拌1小时；
步骤2：将获得的乳白色悬浮液转到水浴装置中在80℃下继续剧烈搅拌反应30分钟；
步骤3：反应结束后冷却、过滤、洗涤、干燥，并在300℃高温下烧结，得到微纳分级结构MgO/MgCO3复合物除氟剂。
除氟剂经扫描电子显微镜表征其形貌（如图1），可以看出其是微纳分级结构；经X射线衍射仪和傅里叶变换红外光谱仪分析得知该材料为MgO/MgCO3复合物（如图2、3）；通过Micromeritics ASAP 2020 M分析仪在氮气下吸脱附测得除氟剂比表面积为62.50 m2/g，吸脱附曲线如图4，孔径分布曲线如图5。
本实例所得微纳分级结构MgO/MgCO3复合物除氟剂应用于水中氟离子的吸附：称取实施1中制备的微纳分级结构MgO/MgCO3复合物除氟剂2 g，加入2 L氟离子浓度为10 mg/L的水样中进行吸附，共含有氟离子0.02g，搅拌使其充分吸附10小时，然后进行过滤分离得到净化的水（等温吸附曲线如图6），通过电化学测定氟离子浓度为0.9 mg/L。
实施例2
步骤1：先配制100 ml 质量浓度为3.0%硫酸镁溶液并持续剧烈搅拌，然后将配制的20 ml 质量浓度为14.4%碳酸钾溶液缓慢的加入到硫酸镁溶液中，并继续搅拌1小时；
步骤2：将获得的乳白色悬浮液转到水浴装置中在80℃下继续剧烈搅拌反应30分钟；
步骤3：反应结束后冷却、过滤、洗涤、干燥，并在300℃高温下烧结，得到微纳分级结构MgO/MgCO3复合物除氟剂。
本实例所得微纳分级结构MgO/MgCO3复合物除氟剂应用于水中氟离子的吸附如下：
步骤4：取10 g获得的微纳分级结构MgO/MgCO3复合物除氟剂与40 g海藻酸钠混合溶于2 L水中，搅拌后获得2 L混合液。
步骤5：将步骤4配制的混合液逐滴滴入5 L 3%浓度的氯化钙溶液，陈化5小时，形成直径为6~8 mm的小球，然后清洗、干燥。
步骤3中的除氟剂经傅里叶变换红外光谱仪分析得知该材料为MgO/MgCO3复合物（如图7），通过Micromeritics ASAP 2020 M分析仪在氮气下吸脱附测得除氟剂比表面积为65.20 m2/g。将本实例所得微纳分级结构MgO/MgCO3复合物除氟剂与海藻酸钙复合小球用于吸附水中氟离子：称取实施2制备的复合小球20 g，装填于处理柱中，其中，填充柱的内径为1.6 mm，柱长为20 cm，将20 L水样（水中氟离子浓度为5 mg/L，共含有氟离子0.1 g）以6 mL/min的流速自下而上通过该填充柱，得到净化的水，通过电化学测定氟离子浓度低于1 mg/L。
实施例3
步骤1：先配制100 ml 质量浓度为2.4%氯化镁溶液并持续剧烈搅拌，然后将配制的20 ml 质量浓度为11.7%碳酸钠溶液缓慢的加入到氯化镁溶液中，并继续搅拌1小时；
步骤2：将获得的乳白色悬浮液转到水浴装置中在80℃下继续剧烈搅拌反应30分钟；
步骤3：反应结束后冷却、过滤、洗涤、干燥，并在300℃高温下烧结退火4小时，得到微纳分级结构MgO/MgCO3复合物除氟剂。
本实例所得微纳分级结构MgO/MgCO3复合物除氟剂应用于水中氟离子的吸附如下：
步骤4：将10 g获得的微纳分级结构MgO/MgCO3复合物除氟剂与40 g壳聚糖混合溶于2 L 2%浓度的乙酸溶液中，搅拌后获得2 L混合液。
步骤5：将步骤4配制的混合液逐滴滴入5 L 4%的氢氧化钠溶液，陈化12小时，形成直径为6~8 mm的小球，然后清洗、干燥。
步骤3中的除氟剂通过Micromeritics ASAP 2020 M分析仪在氮气下吸脱附测得除氟剂比表面积为66.70 m2/g。将本实例所得微纳分级结构MgO/MgCO3复合物除氟剂与壳聚糖复合小球用于吸附水中氟离子：称取实施2制备的复合小球20 g，装填于处理柱中，其中，填充柱的内径为1.6 mm，柱长为20 cm，将20 L水样（水中氟离子浓度为5 mg/L，共含有氟离子0.1 g）以5 mL/min的流速自下而上通过该填充柱，得到净化的水，通过电化学测定氟离子浓度低于1 mg/L。

Claims (10)

1.一种微纳分级结构MgO/MgCO3复合物，其采用以下步骤方法制备得到：
（1）剧烈搅拌下，将碳酸盐溶液缓慢滴加入镁盐溶液中，滴毕继续搅拌0.5～4小时，得乳白色悬浮液；
（2）将获得的乳白色悬浮液转到80-100℃的水浴装置中再继续剧烈搅拌反应0.5～2小时；
（3）反应结束后冷却、过滤、洗涤、干燥、高温烧结，得到微纳分级结构MgO/MgCO3复合物除氟剂，所述的MgO/MgCO3复合物比表面积为55～70 m2/g。
2.如权利要求1所述微纳分级结构MgO/MgCO3复合物，其特征在于，步骤（1）中所述的镁盐溶液的质量浓度为2%～4%，碳酸盐溶液的质量浓度为10%～15%；镁盐与碳酸盐质量比为0.4～7.5。
3.如权利要求1所述微纳分级结构MgO/MgCO3复合物，其特征在于，步骤（3）中所述的干燥温度为50～90℃，时间为10～48小时。
4.如权利要求1所述微纳分级结构MgO/MgCO3复合物，其特征在于，步骤（3）中所述的高温烧结温度为250～350℃，高温烧结退火处理3～5小时。
5.权利要求1-4任一项所述微纳分级结构MgO/MgCO3复合物作为除氟剂的应用，其特征在于，将微纳分级结构MgO/MgCO3复合物均匀分散于待处理的水中，吸附4～12小时后，除去微纳分级结构MgO/MgCO3复合物，得到净化水。
6.权利要求1-4任一项所述微纳分级结构MgO/MgCO3复合物作为除氟剂的应用，其特征在于，采用下述步骤方法：
（1）将微纳分级结构MgO/MgCO3复合物与海藻酸钠按质量比1:4～1:2混合溶于水中，得混合液；
（2）将混合液滴加入钙溶液中，陈化1～6小时，形成直径6~10 mm的小球，然后清洗、干燥成吸附剂小球；
（3）将吸附剂小球填充吸附柱，然后将待处理水自下而上通过吸附柱，得到净化水。
7.如权利要求6所述应用，其特征在于，步骤（1）所述MgO/MgCO3复合物和海藻酸钠的总质量与水的体积之间的配比为25: 0.8～25:1.2 g/L；步骤（2）所述钙溶液为质量浓度2%～5%的氯化钙溶液；步骤（2）所述钙溶液与混合液的体积比为2～5：1。
8.权利要求1-4任一项所述微纳分级结构MgO/MgCO3复合物作为除氟剂的应用，其特征在于，采用下述步骤方法：
（1）将微纳分级结构MgO/MgCO3复合物与壳聚糖按质量比1:4～1:2混合溶于有机弱酸溶液中，得混合液；
（2）将混合液逐滴滴入碱溶液，陈化8～15小时，形成直径为6~10 mm的小球，然后清洗、干燥成吸附剂小球；
（3）将吸附剂小球填充吸附柱，然后将待处理水自下而上通过吸附柱，得到净化水。
9.如权利要求8所述应用，其特征在于，步骤（1）所述有机弱酸溶液为质量浓度1%～3%的乙酸溶液，所述MgO/MgCO3复合物和壳聚糖的总质量与乙酸溶液体积之间的配比为25: 0.8～25:1.2 g/L。
10.如权利要求8所述应用，其特征在于，步骤（2）所述碱溶液为质量浓度2%～6%的氢氧化钠溶液，步骤（2）所述碱溶液与混合液的体积比为2～5:1。
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