CN105268402B - 一种利用活性炭制备的复合材料及其制备方法和用途 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用活性炭制备的复合材料及其制备方法和用途，该复合材料由以下按照重量份的原料组成：活性炭8‑15份、蒙脱石20‑28份、硝酸镍3‑8份、钛酸四丁酯0.5‑3份。将钛酸四丁酯与活性炭研磨，过筛，制得混合物A；将蒙脱石与硝酸镍加蒸馏水，超声处理，制得混合物B；将混合物A置入混合物B中经过超声处理、烘干、高温煅烧、降温即得。本发明用于制备水处理剂。本发明提供结构稳定的复合材料，具有吸附能力高、对重金属吸附稳定、无二次污染的优点。
Description
技术领域
本发明涉及水处理材料领域，具体是一种利用活性炭制备的复合材料及其制备方法和用途。
背景技术
我国是目前世界上最贫水的13个国家之一，据经济合作与发展组织最新公布的《中国环境绩效评估》报告，目前流经中国城市的超过75％的水体不适合饮用，30％以上的检测河流水质属于劣V类。随着工业发展，城市生活饮用水水源受污染程度日益加剧，同时随着生活水平的提高，人们对饮用水质的要求以及饮用水质标准越来越严格。
目前市场上用于水处理的活性炭材料，其作用原理主要是通过物理吸附作用的方式将污染物与水进行分离。活性炭由于具有巨大的比表面积及发达的空隙结构，因此对水中溶解态有机物如酚类化合物等具有较强的吸附能力，适用于饮用水深度净化。但采用活性炭为水处理剂，存在一些问题，如活性炭的吸附量与成本的比值还需进一步提高，且其吸附为物理吸附，容易在吸附过程中脱附，造成二次污染。
发明内容
本发明的目的在于提供一种吸附能力高、对重金属吸附稳定、无二次污染的利用活性炭制备的复合材料及其制备方法和用途，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种利用活性炭制备的复合材料，由以下按照重量份的原料组成：活性炭8-15份、蒙脱石20-28份、硝酸镍3-8份、钛酸四丁酯0.5-3份。
作为本发明进一步的方案：所述利用活性炭制备的复合材料，由以下按照重量份的原料组成：活性炭10-12份、蒙脱石22-25份、硝酸镍4-6份、钛酸四丁酯1-2份。
作为本发明进一步的方案：所述利用活性炭制备的复合材料，由以下按照重量份的原料组成：活性炭11份、蒙脱石24份、硝酸镍5份、钛酸四丁酯1.5份。
所述利用活性炭制备的复合材料的制备方法，由以下步骤组成：
1）将钛酸四丁酯与活性炭研磨，过100目筛，制得混合物A；
2）将蒙脱石与硝酸镍混合后，再加入二者10-12倍质量的蒸馏水，然后对其进行超声处理，超声处理条件为：温度50℃，超声功率400W，超声时间50min；制得混合物B；
3）将混合物A置入混合物B中，再对其进行超声处理，超声处理条件为：温度50℃，超声功率400W，超声时间50min；制得混合物C；
4）将混合物C置入100℃的烘箱中烘干，制得混合物D；
5）将混合物D置入反应釜中高温煅烧5h，高温煅烧温度为600℃，再降至室温，即得利用活性炭制备的复合材料。
所述利用活性炭制备的复合材料用于制备水处理剂中的应用。
水处理装置，包括水处理剂和用以装载水处理剂的容器，所述水处理剂含有上述利用活性炭制备的复合材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
由于活性炭和蒙脱石的比表面积大，在超声处理的条件下，由于蒙脱石是三层片状结构，超声后三层片状结构倍分散成单层片状结构，使其比表面积增大，而且活性炭的加入也利于蒙脱石的分散，镍与钛能够均匀的分布在活性炭和蒙脱石的表面上，经过煅烧后，形成结构稳定的复合材料，具有吸附能力高、对重金属吸附稳定、无二次污染的优点。由于复合材料的吸附量大，因此较小的用量即可获得较好的处理效果，由此可以将其制成小体积易携带、使用简便的水处理装置。本发明的复合材料中镍、钛与活性炭、蒙脱石具有高的结合强度，可以防止镍、钛从活性炭、蒙脱石上脱落，引起对水的二次污染。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本发明实施例中，一种利用活性炭制备的复合材料，由以下按照重量份的原料组成：活性炭8份、蒙脱石20份、硝酸镍3份、钛酸四丁酯0.5份。制备过程，由以下步骤组成：将钛酸四丁酯与活性炭研磨，过100目筛，制得混合物A。将蒙脱石与硝酸镍混合后，再加入二者10-12倍质量的蒸馏水，然后对其进行超声处理，超声处理条件为：温度50℃，超声功率400W，超声时间50min；制得混合物B。将混合物A置入混合物B中，再对其进行超声处理，超声处理条件为：温度50℃，超声功率400W，超声时间50min；制得混合物C。将混合物C置入100℃的烘箱中烘干，制得混合物D。将混合物D置入反应釜中高温煅烧5h，高温煅烧温度为600℃，再降至室温，即得利用活性炭制备的复合材料。
实施例2
本发明实施例中，一种利用活性炭制备的复合材料，由以下按照重量份的原料组成：活性炭15份、蒙脱石28份、硝酸镍8份、钛酸四丁酯3份。制备过程与实施例1步骤相同。
实施例3
本发明实施例中，一种利用活性炭制备的复合材料，由以下按照重量份的原料组成：活性炭10份、蒙脱石22份、硝酸镍4份、钛酸四丁酯1份。制备过程与实施例1步骤相同。
实施例4
本发明实施例中，一种利用活性炭制备的复合材料，由以下按照重量份的原料组成：活性炭12份、蒙脱石25份、硝酸镍6份、钛酸四丁酯2份。制备过程与实施例1步骤相同。
实施例5
本发明实施例中，一种利用活性炭制备的复合材料，由以下按照重量份的原料组成：活性炭11份、蒙脱石24份、硝酸镍5份、钛酸四丁酯1.5份。制备过程与实施例1步骤相同。
为了说明本发明在污水处理中的应用，使用实施例1-5中的样品。
实施例6
将5mg的实施例1-5制备的利用活性炭制备的复合材料各自与10mL浓度为5ppm的汞离子、5ppm的铅离子的水溶液混合，搅拌反应8h。处理后的水溶液中汞离子、铅离子浓度通过电感耦合等离子体质谱(Thermo ICP-MS XII)检测，汞离子浓度均小于1.5ppb，铅离子浓度均小于2.5ppb。
实施例1-5处理污水的结果如表1所示。
表1
| 名称 | 处理的污染物的种类与用量 | 处理后污染物的含量（ppb） |
| 实施例1-5 | 10ml汞元素浓度为5ppm的水溶液 | 汞元素＜1.5ppb |
| 实施例1-5 | 10ml铅元素浓度为5ppm的水溶液 | 铅元素＜2.5ppb |
从表1可以看出，采用活性炭制备的复合材料作为水处理剂，可以高效地除去水中的重金属离子。
实施例7
将5mg的实施例1-5制备的利用活性炭制备的复合材料各自与10mL浓度为5ppm的汞离子、5ppm的铅离子的水溶液混合，调节上述溶液的pH值至7，搅拌反应5h。处理后的水溶液中汞离子、铅离子浓度通过电感耦合等离子体质谱(THERMO ICP-MS XII)检测，汞离子浓度均小于1.5ppb，铅离子浓度均小于2.5ppb。
实施例8
采用实施例7相同的步骤，不同的是，调节利用活性炭制备的复合材料与汞离子、铅离子水溶液混合液的pH值至5。
实施例9
采用实施例7相同的步骤，不同的是，调节利用活性炭制备的复合材料与汞离子、铅离子水溶液混合液的pH值至3。
实施例7-9处理污水的结果如表2所示。
表2
| 名称 | pH值 | 处理后污染物的含量（ppb） |
| 实施例7 | 7 | 汞元素＜1.5ppb，铅元素＜2.5ppb |
| 实施例8 | 5 | 汞元素＜1.5ppb，铅元素＜2.5ppb |
| 实施例9 | 3 | 汞元素＜1.5ppb，铅元素＜2.5ppb |
从表2的结果可以看出，采用本发明制备得到的利用活性炭制备的复合材料，在不同的pH值条件下均具有良好的水处理效果。
对比例1
将20mg的颗粒活性炭(GAC，20-40目，Sigma-Aldrich公司购买)，其余步骤同实施例6，处理结果为：汞元素162ppb，铅元素223ppb。
对比例2
将20mg的对比例2，对比例2无活性炭，其余与实施例5一致，处理步骤同实施例6，处理结果为：汞元素564ppb，铅元素693ppb。
对比例3
将20mg的对比例3，对比例3无钛酸四丁酯，其余与实施例5一致，处理步骤同实施例6，处理结果为：汞元素125ppb，铅元素194ppb。
对比例4
将20mg的对比例4，对比例4无混合物A，其余与实施例5一致，处理步骤同实施例6，处理结果为：汞元素1272ppb，铅元素1493ppb。
实施例6与对比例1的处理汞离子、铅离子的结果如表3所示。
表3
| 名称 | 水处理剂用量 | 处理后污染物的含量（ppb） |
| 实施例6 | 5 | 汞元素＜1.5ppb，铅元素＜2.5ppb |
| 对比例1 | 20 | 汞元素162ppb，铅元素223ppb |
| 对比例2 | 20 | 汞元素564ppb，铅元素693ppb |
| 对比例3 | 20 | 汞元素125ppb，铅元素194ppb |
| 对比例4 | 20 | 汞元素1272ppb，铅元素1493ppb |
从表3的结果可以看出，实施例6中采用本发明的利用活性炭制备的复合材料处理汞离子、铅离子的效果明显优于对比例1中采用颗粒活性炭(GAC，20-40目)处理汞离子、铅离子的效果。对比例2-3的结果表明，在活性炭与钛酸四丁酯的相互作用下，使得本发明具有优异的处理汞离子、铅离子的能力。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (4)
1.一种利用活性炭制备的复合材料，其特征在于，由以下按照重量份的原料组成：活性炭8-15份、蒙脱石20-28份、硝酸镍3-8份、钛酸四丁酯0.5-3份；
所述复合材料的制备方法，由以下步骤组成：
1）将钛酸四丁酯与活性炭研磨，过100目筛，制得混合物A；
2）将蒙脱石与硝酸镍混合后，再加入二者10-12倍质量的蒸馏水，然后对其进行超声处理，超声处理条件为：温度50℃，超声功率400W，超声时间50min；制得混合物B；
3）将混合物A置入混合物B中，再对其进行超声处理，超声处理条件为：温度50℃，超声功率400W，超声时间50min；制得混合物C；
4）将混合物C置入100℃的烘箱中烘干，制得混合物D；
5）将混合物D置入反应釜中高温煅烧5h，高温煅烧温度为600℃，再降至室温，即得利用活性炭制备的复合材料。
2.根据权利要求1所述的利用活性炭制备的复合材料，其特征在于，由以下按照重量份的原料组成：活性炭10-12份、蒙脱石22-25份、硝酸镍4-6份、钛酸四丁酯1-2份。
3.根据权利要求2所述的利用活性炭制备的复合材料，其特征在于，由以下按照重量份的原料组成：活性炭11份、蒙脱石24份、硝酸镍5份、钛酸四丁酯1.5份。
4.如权利要求1-3任一所述的利用活性炭制备的复合材料用于制备水处理剂中的用途。
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