CN105498358B - 一种除油除重金属改性核桃壳滤料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种除油除重金属改性核桃壳滤料的制备方法，属于环保材料技术领域。该除油除重金属改性核桃壳滤料，在核桃壳滤料的表面具有氧化石墨烯镀层；上述滤料的制备方法：将核桃壳粉末与氧化石墨烯粉末同时加入到V型混料机中搅拌混匀，然后加入交联剂和去离子水在50℃～80℃温度条件下交联3～3.5小时，滤去液相后用无水乙醇洗涤至中性，在100℃～140℃条件下干燥1～3小时，最后使用振动筛刷选出粒径符合要求的滤料，即得到成品。本发明的滤料可同时去除污水中的油脂和重金属，大大简化了污水处理工艺，降低污水处理成本，污水处理效率高，滤料的硬度较高、耐磨损、抗压性好，且不易结块、韧性大、易再生，更换周期长，成本低。

Description

一种除油除重金属改性核桃壳滤料的制备方法
技术领域
本发明属于环保材料技术领域，对核桃壳滤料进行改性，可同时去除污水中的油和重金属，更具体地说，涉及一种除油除重金属改性核桃壳滤料的制备方法。
背景技术
水处理填料与滤料是水处理工艺中用于物化处理的过滤介质材料和生化处理的微生物栖息的载体物质，是现代水处理工艺中直接关系处理效果的不可缺失的环节。过滤技术中，滤料及滤料层的构成是决定过滤设备性能优劣的关键，它们决定着滤后水的水质，决定着过滤设备的基本性能。因此，过滤技术的发展在很大程度上取决于对滤料和滤料层构成的研究与改进。随着人类生活水平的不断提高，人们对滤料的要求越来越高。经过多年的研究和发展，滤料的品种和规格日益增多，质量和性能逐步提高，应用范围不断扩大，适应了国民经济发展的需要，尤其是在水处理行业得到了良好的效果，正在逐步推动我国水处理过滤技术的进步和发展。
国内广泛使用的废水处理的滤料，大部分是采用石英砂、无烟煤等材料，在进行废水处理时，大多是将这些材料分层置入滤罐，让废水流经滤罐即可达到过滤目的。上述材料作为滤料处理废水是有以下缺点：一是无吸附能力，只能起到过滤废水中悬浮物的作用，起不到吸附有害物质的作用；二是容易结块，需经常更换，费时费工，成本高。针对上述滤料的问题，研制出了核桃壳滤料，其由于本身的硬度，理想的比重、多孔和多面性，并经特殊的物理化学处理(将其色素、脂肪、油脂、电付离子去除干净)，使它在水处理中具有较强的除油性能，除固体微粒，易反洗等优良性能，核桃壳滤料已广泛用在油田含油污水处理、工业废水处理和民用水处理，是取代石英砂、无烟煤等滤料，提高水质，大幅度降低水处理成本的新一代滤料。但是随着工业经济的高速发展，工业废水中常含有重金属。重金属废水是指矿冶、机械制造、化工、电子、仪表等工业生产过程中排出的含重金属的废水。重金属(如含镉、镍、汞、锌等)废水是对一环境污染最严重和对人类危害最大的工业废水之一，废水中的重金属一般不能分解破坏，只能转移其存在位置和转变其物化形态，而目前的核桃壳滤料只具有除油的功能，却无法除去废水中的重金属。
经检索，中国专利公开号为：CN 1311050，公开日为：2001年9月5日的专利文献，公开了一种核桃壳吸附滤料及其制作工艺，核桃壳吸附滤料的粒径为0.4-2.5mm，制作工艺为：将核桃壳经破碎、筛选后，再经高温脱脂后冲洗、烘干，然后磨圆处理，然后筛选分级，即为核桃壳吸附滤料。该工艺方法制作的核桃壳吸附滤料容易发生霉变、污染，导致使用寿命降低，不能吸附污水中的有害物质，并且结块、还污染水源，同时其不能去除污水中的重金属离子。
又如，中国专利公开号为：CN 105126771 A，公开日为：2015年12月9日的专利文献，公开了一种核桃壳滤料的加工工艺。其步骤为，除杂；消毒、清洗；烘干、破碎、抛光、蒸洗脱脂：滚筒抛光机抛光，去除表面凸锋，使其表面粗糙度达到Ra0.8；蒸洗机蒸洗1-3小时；在烘干机中85℃-90℃脱脂20小时，含水量低于8％；用185nm波长紫外线照射20小时杀菌；筛选分级，即为核桃壳滤料。该工艺所制备的核桃壳滤料只能去除污水中的部分油脂和悬浮物，去除率不理想，却不能除去污水中的重金属，经该滤料处理后的污水还需再次经去除重金属工艺，处理成本高，周期长。
发明内容
1、要解决的问题
针对现有油田、轧钢等工业生产过程的污水处理中，不仅需要去除污水中的油脂，还需要除去污水中的重金属，其污水处理周期长、成本高的问题，本发明提供了一种除油除重金属改性核桃壳滤料的制备方法，所制备的滤料可同时去除污水中的油脂和重金属，大大简化了污水处理工艺，降低污水处理成本，污水处理效率高，提高了设备的利用率，滤料一物多用性价比高，处理后的水可回收再利用或直接排放，避免二次污染。
2、技术方案
为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。
一种除油除重金属改性核桃壳滤料，在核桃壳滤料的表面具有氧化石墨烯镀层。
进一步地，所述的氧化石墨烯镀层的厚度为T，T＝λd，其中，λ为常系数，取值为0.2～0.4，d为核桃壳滤料的粒径。
进一步地，所述的核桃壳滤料的粒径d的取值为d＝1～1.8mm。
一种除油除重金属改性核桃壳滤料的制备方法，步骤为：
(1)原材料筛选：将核桃壳原材料用风选机进行风选，过滤掉青皮、柴草杂质，再将有虫咬的核桃壳去除；
(2)消毒、清洗：将筛选后的核桃壳用次氯酸钠消毒液进行消毒处理后，用蒸馏水清洗；
(3)烘干、破碎：将步骤(2)的核桃壳用烘干机烘干，然后用破碎机进行破碎处理；
(4)抛光、蒸洗脱脂：用滚筒抛光机抛光，去除表面凸峰，使其表面粗糙度不大于Ra0.8，使用蒸洗机蒸洗，接着使用壳聚糖水溶液进行浸渍，然后在烘干机中脱脂后，再用紫外线照射杀菌；
(5)筛选：筛选出粒径为1～1.8mm的核桃壳粉末；
(6)将步骤(5)得到的核桃壳粉末与氧化石墨烯粉末同时加入到V型混料机中搅拌混匀，然后加入交联剂和去离子水在50℃～80℃温度条件下交联3～3.5小时，滤去液相后用无水乙醇洗涤至中性，在100℃～140℃条件下干燥1～3小时；
(7)使用振动筛刷选出粒径符合要求的滤料，即得到成品。
进一步地，所述的步骤(2)中核桃壳采用浓度为5～8ppm的次氯酸钠消毒液浸泡8～12分钟进行消毒处理。
进一步地，所述的步骤(3)中用烘干机在70℃～75℃温度条件下对核桃壳烘干15-17小时，使其含水量低于7％。
进一步地，所述的步骤(4)中，使用蒸洗机在140～150℃条件下对核桃壳蒸洗3～5小时，接着采用质量浓度为2～7％的壳聚糖水溶液浸渍1～3小时，然后在烘干机中50℃～80℃温度条件下脱脂2～3小时，再用185nm波长的紫外线照射20小时进行杀菌处理。
进一步地，所述的步骤(6)中，按核桃壳粉末与氧化石墨烯粉末的质量比为2:1的比例加入到V型混料机中，所采用的氧化石墨烯粉末的粒径为75～150um；交联剂为乙二醛、戊二醛、乙二醇二缩水甘油醚、吡啶中的一种或多种，交联剂加入的质量与氧化石墨烯粉末的质量相同；去离子水加入的质量为交联剂的3～5倍。
进一步地，所述的步骤(6)中，在交联过程中，采用功率为600W的超声波进行处理。
进一步地，所述的步骤(7)中，采用旋振筛对滤料进行筛选，所筛选的滤料的粒径D满足，D＝(2λ+1)d，其中，λ为常系数，取值为0.2～0.4，d为核桃壳粉末的粒径。
3、有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)石墨烯是由稳定碳原子构成的类似苯环结构的二维片层堆叠而成的一种碳材料，将其氧化制备得到的氧化石墨烯，其表面上形成了羟基、羧基、环氧基、羰基等亲水性的活性基团，具有亲水性，同时增加了片层间的距离，使得氧化石墨烯具有超大比表面积和非常强的离子交换能力强；这些含氧官能团使石墨片层能够和极性小分子或聚合物强烈反应形成氧化石墨烯纳米复合材料或氧化石墨烯剥离复合材料，显示出优异增强增韧等性能；氧化石墨烯的这种比表面积大、层间距离可调控、吸附能力强等特点使其在污水处理方面具有应用的可能和潜力；本发明的一种除油除重金属改性核桃壳滤料，对现有核桃壳滤料进行改性处理，在现有核桃壳滤料的表面增加氧化石墨烯镀层，一方面增强了原有核桃滤料的除油污的能力，另一方面还可除去污水中的重金属离子，大大简化了污水处理工艺，降低污水处理成本，污水处理效率高、效果好，污水中的油脂和重金属的去除率可达到99％以上，处理后的水达到了排放标准，避免水体二次污染；
(2)本发明的一种除油除重金属改性核桃壳滤料，氧化石墨烯镀层的厚度为T，T＝λd(其中，λ为常系数，取值为0.2～0.4，d为核桃壳滤料的粒径，取值为1～1.8mm)，我们发现在此厚度范围内，氧化石墨烯在核桃壳滤料的表面粘聚力达到最好，外表面较为光滑，无凹凸不平现象，滤料整体圆度较好，在污水处理过程中，滤料的硬度较高、耐磨损、抗压性好，且不易结块、韧性大、易再生，滤料除油和重金属的综合性能最好，无需经常更换，氧化石墨烯原料来源广泛，生产成本较低；
(3)核桃壳和氧化石墨烯的结合，其最大的难题在于氧化石墨烯附着在核桃壳表面，其凝聚力难以控制，氧化石墨烯镀层开裂倾向严重，且容易脱落，在污水处理时，氧化石墨烯很快磨损、脱落，核桃壳和氧化石墨烯很快即会完全分离，本发明的一种除油除重金属改性核桃壳滤料的制备方法，该工艺首先生产符合要求的核桃壳粉末(粒径在1～1.8mm)，然后将核桃壳粉末与粒径为75～150um的氧化石墨烯粉末(质量比为2:1)加入到V型混料机中搅拌混匀，接着加入交联剂和去离子水(交联剂加入的质量与氧化石墨烯粉末的质量相同，去离子水加入的质量为交联剂的3～5倍)在50℃～80℃温度条件下交联3～3.5小时，滤去液相后用无水乙醇洗涤至中性，在100℃～140℃条件下干燥1～3小时，在旋振筛中滤去不符合粒径要求的滤料后得到成品，采用此工艺加工得到的滤料，氧化石墨烯附着层厚度适中，除油和重金属能力强，核桃壳与氧化石墨烯之间的凝聚力也很强，避免了氧化石墨烯附着层开裂的倾向，且不易脱落，长时间污水处理使用，氧化石墨烯附着层的磨损量非常的小，可以忽略不计，使用寿命长久；
(4)本发明的一种除油除重金属改性核桃壳滤料的制备方法，在交联过程中，采用功率为600W的超声波进行处理，可加快氧化石墨烯在核桃壳表面的凝聚速率，此速率可提高约5％，缩短了交联时间，且可对交联反应进行筛选，符合粒径要求的核桃壳表面快速附着氧化石墨烯，反之，核桃壳表面难以附着氧化石墨烯。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明型进一步进行描述。
实施例1
本实施例的一种除油除重金属改性核桃壳滤料，在核桃壳滤料的表面附着有氧化石墨烯镀层，且石墨烯镀层的厚度为T，满足T＝λd，其中，λ为常系数，取值为λ＝0.2～0.4，d为核桃壳滤料的粒径，取值为d＝1～1.8mm。在本实施例中，我们取λ的数值为0.2，则石墨烯镀层的厚度T的取值为T＝0.2～0.36mm。
上述的一种除油除重金属改性核桃壳滤料的制备方法，步骤为：
(1)原材料筛选：将核桃壳原材料用风选机进行风选，过滤掉青皮、柴草杂质，再将有虫咬的核桃壳去除；
(2)消毒、清洗：将筛选后的核桃壳采用浓度为5ppm的次氯酸钠消毒液浸泡12分钟进行消毒处理后，用蒸馏水清洗；
(3)烘干、破碎：将步骤(2)的核桃壳用烘干机在70℃温度条件下烘干17小时，使其含水量低于7％，然后用破碎机进行破碎处理；
(4)抛光、蒸洗脱脂：用滚筒抛光机抛光，去除表面凸峰，使其表面粗糙度不大于Ra0.8，使用蒸洗机在140℃条件下对核桃壳蒸洗5小时，接着采用质量浓度为2％的壳聚糖水溶液浸渍3小时，然后在烘干机中50℃温度条件下脱脂3小时，再用185nm波长的紫外线照射20小时进行杀菌处理；
(5)筛选：用筛选机筛选出粒径为1～1.8mm的核桃壳粉末；
(6)将步骤(5)得到的核桃壳粉末与氧化石墨烯粉末按质量比为2:1同时加入到V型混料机中搅拌混匀，所采用的氧化石墨烯粉末的粒径为75um，然后加入交联剂和去离子水在50℃温度条件下交联3.5小时，在此过程中，采用功率为600W的超声波进行处理，完成后，滤去液相并用无水乙醇洗涤至中性，在100℃条件下干燥3小时；交联剂可以为乙二醛、戊二醛、乙二醇二缩水甘油醚、吡啶中的一种或多种，在本步骤中，采用乙二醛作为交联剂，且乙二醛的质量与氧化石墨烯粉末的质量相等，去离子水加入的质量为乙二醛质量的3倍；
(7)采用旋振筛对滤料进行筛选，所筛选的滤料的粒径D满足，D＝(2λ+1)d，其中，λ的取值为0.2，d为核桃壳粉末的粒径，取值为1～1.8mm，则D取值为1.4～2.52mm，即筛选得到的成品滤料的粒径在1.4～2.52mm范围内。
采用上述方法得到的一种除油除重金属改性核桃壳滤料，其成品率为99.6％，表面光洁度在Ra3.2～Ra1.6范围内，氧化石墨烯附着层未发现有裂痕；采用该滤料对污水进行处理，污水中油脂的去除率为99.2％，重金属离子的去除率为95％，连续污水处理500小时后，无结块现象，氧化石墨烯附着层无脱落，且氧化石墨烯附着层的磨损厚度小于9um，磨损量小，可忽略不计，滤料的使用寿命长。
实施例2
本实施例的一种除油除重金属改性核桃壳滤料，在核桃壳滤料的表面附着有氧化石墨烯镀层，且石墨烯镀层的厚度为T，满足T＝λd，其中，λ为常系数，取值为λ＝0.2～0.4，d为核桃壳滤料的粒径，取值为d＝1～1.8mm。在本实施例中，我们取λ的数值为0.4，则石墨烯镀层的厚度T的取值为T＝0.4～0.72mm。
上述的一种除油除重金属改性核桃壳滤料的制备方法，步骤为：
(1)原材料筛选：将核桃壳原材料用风选机进行风选，过滤掉青皮、柴草杂质，再将有虫咬的核桃壳去除；
(2)消毒、清洗：将筛选后的核桃壳采用浓度为8ppm的次氯酸钠消毒液浸泡8分钟进行消毒处理后，用蒸馏水清洗；
(3)烘干、破碎：将步骤(2)的核桃壳用烘干机在75℃温度条件下烘干15小时，使其含水量低于7％，然后用破碎机进行破碎处理；
(4)抛光、蒸洗脱脂：用滚筒抛光机抛光，去除表面凸峰，使其表面粗糙度不大于Ra0.8，使用蒸洗机在150℃条件下对核桃壳蒸洗3小时，接着采用质量浓度为7％的壳聚糖水溶液浸渍1小时，然后在烘干机中80℃温度条件下脱脂2小时，再用185nm波长的紫外线照射20小时进行杀菌处理；
(5)筛选：用筛选机筛选出粒径为1～1.8mm的核桃壳粉末；
(6)将步骤(5)得到的核桃壳粉末与氧化石墨烯粉末按质量比为2:1同时加入到V型混料机中搅拌混匀，所采用的氧化石墨烯粉末的粒径为150um，然后加入交联剂和去离子水在80℃温度条件下交联3小时，在此过程中，采用功率为600W的超声波进行处理，完成后，滤去液相并用无水乙醇洗涤至中性，在140℃条件下干燥1小时；在本步骤中，采用戊二醛作为交联剂，且戊二醛的质量与氧化石墨烯粉末的质量相等，去离子水加入的质量为戊二醛质量的5倍；
(7)采用旋振筛对滤料进行筛选，所筛选的滤料的粒径D满足，D＝(2λ+1)d，其中，λ的取值为0.4，d为核桃壳粉末的粒径，取值为1～1.8mm，则D取值为1.8～3.24mm，即筛选得到的成品滤料的粒径在1.8～3.24mm范围内。
采用上述方法得到的一种除油除重金属改性核桃壳滤料，其成品率为99.8％，表面光洁度在Ra3.2～Ra0.8范围内，氧化石墨烯附着层未发现有裂痕；采用该滤料对污水进行处理，污水中油脂的去除率为99.6％，重金属离子的去除率为99.1％，连续污水处理500小时后，无结块现象，氧化石墨烯附着层无脱落，且氧化石墨烯附着层的磨损厚度小于7um，磨损量小，可忽略不计，滤料的使用寿命长。
实施例3
本实施例的一种除油除重金属改性核桃壳滤料，在核桃壳滤料的表面附着有氧化石墨烯镀层，且石墨烯镀层的厚度为T，满足T＝λd，其中，λ为常系数，取值为λ＝0.2～0.4，d为核桃壳滤料的粒径，取值为d＝1～1.8mm。在本实施例中，我们取λ的数值为0.3，则石墨烯镀层的厚度T的取值为T＝0.3～0.54mm。
上述的一种除油除重金属改性核桃壳滤料的制备方法，步骤为：
(1)原材料筛选：将核桃壳原材料用风选机进行风选，过滤掉青皮、柴草杂质，再将有虫咬的核桃壳去除；
(2)消毒、清洗：将筛选后的核桃壳采用浓度为6ppm的次氯酸钠消毒液浸泡10分钟进行消毒处理后，用蒸馏水清洗；
(3)烘干、破碎：将步骤(2)的核桃壳用烘干机在72℃温度条件下烘干16小时，使其含水量低于7％，然后用破碎机进行破碎处理；
(4)抛光、蒸洗脱脂：用滚筒抛光机抛光，去除表面凸峰，使其表面粗糙度不大于Ra0.8，使用蒸洗机在145℃条件下对核桃壳蒸洗4小时，接着采用质量浓度为5％的壳聚糖水溶液浸渍2.5小时，然后在烘干机中65℃温度条件下脱脂2.5小时，再用185nm波长的紫外线照射20小时进行杀菌处理；
(5)筛选：用筛选机筛选出粒径为1～1.8mm的核桃壳粉末；
(6)将步骤(5)得到的核桃壳粉末与氧化石墨烯粉末按质量比为2:1同时加入到V型混料机中搅拌混匀，所采用的氧化石墨烯粉末的粒径为100um，然后加入交联剂和去离子水在65℃温度条件下交联3.2小时，在此过程中，采用功率为600W的超声波进行处理，完成后，滤去液相并用无水乙醇洗涤至中性，在120℃条件下干燥2小时；在本步骤中，采用乙二醇二缩水甘油醚作为交联剂，且乙二醇二缩水甘油醚的质量与氧化石墨烯粉末的质量相等，去离子水加入的质量为乙二醇二缩水甘油醚质量的4倍；
(7)采用旋振筛对滤料进行筛选，所筛选的滤料的粒径D满足，D＝(2λ+1)d，其中，λ的取值为0.3，d为核桃壳粉末的粒径，取值为1～1.8mm，则D取值为1.6～2.88mm，即筛选得到的成品滤料的粒径在1.6～2.88mm范围内。
采用上述方法得到的一种除油除重金属改性核桃壳滤料，其成品率为99.5％，表面光洁度在Ra3.2～Ra1.6范围内，氧化石墨烯附着层未发现有裂痕；采用该滤料对污水进行处理，污水中油脂的去除率为99％，重金属离子的去除率为98.5％，连续污水处理500小时后，无结块现象，氧化石墨烯附着层无脱落，且氧化石墨烯附着层的磨损厚度小于10um，磨损量小，可忽略不计，滤料的使用寿命长。
本发明所述实例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1. 一种除油除重金属改性核桃壳滤料的制备方法，所制备核桃壳滤料的表面具有氧化石墨烯镀层；所述的氧化石墨烯镀层的厚度为T，T = λd，其中，λ为常系数，取值为0.2 ~0.4，d为核桃壳粉末的粒径，取值为d = 1 ~ 1.8 mm；
制备步骤为：
（1）原材料筛选：将核桃壳原材料用风选机进行风选，过滤掉青皮、柴草杂质，再将有虫咬的核桃壳去除；
（2）消毒、清洗：将筛选后的核桃壳用次氯酸钠消毒液进行消毒处理后，用蒸馏水清洗；
（3）烘干、破碎：将步骤（2）的核桃壳用烘干机烘干，然后用破碎机进行破碎处理；
（4）抛光、蒸洗脱脂：用滚筒抛光机抛光，去除表面凸峰，使其表面粗糙度不大于Ra0.8，使用蒸洗机蒸洗，接着使用壳聚糖水溶液进行浸渍，然后在烘干机中脱脂后，再用紫外线照射杀菌；
（5）筛选：筛选出粒径为1 ~ 1.8 mm的核桃壳粉末；
（6）将步骤（5）得到的核桃壳粉末与氧化石墨烯粉末同时加入到V型混料机中搅拌混匀，然后加入交联剂和去离子水在50 ℃ ~ 80 ℃温度条件下交联3 ~ 3.5小时，滤去液相后用无水乙醇洗涤至中性，在100 ℃ ~ 140 ℃条件下干燥1 ~ 3小时；
此步骤中，按核桃壳粉末与氧化石墨烯粉末的质量比为2:1的比例加入到V型混料机中，所采用的氧化石墨烯粉末的粒径为75 ~ 150 um；交联剂为乙二醛、戊二醛、乙二醇二缩水甘油醚、吡啶中的一种或多种，交联剂加入的质量与氧化石墨烯粉末的质量相同；去离子水加入的质量为交联剂的3 ~ 5倍；
（7）使用振动筛筛选出粒径符合要求的滤料，即得到成品。
2. 根据权利要求1所述的一种除油除重金属改性核桃壳滤料的制备方法，其特征在于：所述的步骤（2）中核桃壳采用浓度为5 ~ 8 ppm的次氯酸钠消毒液浸泡8 ~ 12分钟进行消毒处理。
3. 根据权利要求1所述的一种除油除重金属改性核桃壳滤料的制备方法，其特征在于：所述的步骤（3）中用烘干机在70 ℃ ~ 75 ℃温度条件下对核桃壳烘干15 ~ 17小时，使其含水量低于7 %。
4. 根据权利要求1所述的一种除油除重金属改性核桃壳滤料的制备方法，其特征在于：所述的步骤（4）中，使用蒸洗机在140 ~ 150 ℃条件下对核桃壳蒸洗3 ~ 5小时，接着采用质量浓度为2 ~ 7%的壳聚糖水溶液浸渍1 ~ 3小时，然后在烘干机中50 ℃ ~ 80 ℃温度条件下脱脂2 ~ 3小时，再用185 nm波长的紫外线照射20小时进行杀菌处理。
5. 根据权利要求1所述的一种除油除重金属改性核桃壳滤料的制备方法，其特征在于：所述的步骤（6）中，在交联过程中，采用功率为600W 的超声波进行处理。
6. 根据权利要求1所述的一种除油除重金属改性核桃壳滤料的制备方法，其特征在于：所述的步骤（7）中，采用旋振筛对滤料进行筛选，所筛选的滤料的粒径D满足，D =（2λ+1）d，其中，λ为常系数，取值为0.2 ~ 0.4，d为核桃壳粉末的粒径。
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