CN105498697A - 一种用于处理染料废水的吸附剂、制备方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于处理染料废水的吸附剂、制备方法及其应用，吸附剂包括磁性氧化铁纳米球为内核，表面包覆孔道大小可控的金属有机骨架材料外壳，应用在处理含甲基橙、亚甲基蓝、碱性红、碱性黄、酸性红、阳离子红等染料中的一种或几种。本发明可以通过改变温度调节外壳孔径的大小，控制吸附剂对染料的吸附和脱附能力，另外利用磁铁将吸附染料的吸附剂从处理水中分离出来，操作简便；可达到高效去除废水中染料的目的以及吸附剂的重复使用和染料的回收利用；在酸性和碱性条件下具有良好的稳定性，能有效地去除废水中的染料；对吸附过程中的条件要求比较低，只需通过适当的加热即可使染料脱附。

Description

一种用于处理染料废水的吸附剂、制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及新功能材料及化工分离领域，更具体地涉及一种用于处理染料废水的吸附剂、制备方法及其应用。
背景技术
染料废水在我国工业废水中所占的比例较大，染料废水中有机物含量高，大部分为芳香化合物，且带有显色基团，成分复杂，污染大。因此，开发经济有效的染料废水处理技术日益成为当今环保行业关注的重点。
目前，对染料废水的处理方法主要有化学法、物理法和生化法。其中，物理法具有操作简单、污染小、效果明显等特点被大量采用。吸附法属于物理处理技术，在废水处理中占有很大比例，目前有关吸附法应用于印染废水处理的研究报道较多。迄今为止，工业上使用较多的吸附剂是活性炭、离子交换树脂等，吸附特点和效果各有不同。随着吸附处理技术研究的深入，各种吸附剂不断被引入，主要有活性炭吸附剂、天然矿物吸附剂、固体废弃物吸附剂以及无机物吸附剂，为染料废水的治理起到了越来越大的作用。
但是，这些吸附剂在实际应用中，由于固液分离难，无法实现回收和循环使用，另外由于染料废水的酸碱性，无法实现吸附剂的高效利用和可控使用。因此，开发一种能在酸碱条件下都适用、易于固液分离回收、可控高效的吸附剂具有实际意义。
发明内容
1、本发明的目的。
为了解决上述弊端，本发明的目的是提供一种包裹磁性内核的金属有机骨架材料吸附剂，具有易于分离回收、酸碱染料废水环境均适用、材料结构功能可调控、吸附量大等特点。
2、本发明所采用的技术方案。
用于处理染料废水的吸附剂，磁性氧化铁纳米球为内核，表面包覆孔道大小可控的金属有机骨架材料外壳。
更进一步的具体实施例中，所述的磁性氧化铁纳米球的组成为Fe3O4或γ-Fe2O3。
更进一步的具体实施例中，金属有机骨架材料外壳的组成为孔道大小可变的MIL-53(Cr)或MIL-53(Fe)。
更进一步的具体实施例中，所述的磁性内核为氧化铁纳米球占吸附剂的质量分数为15%～20%。
一种用于处理染料废水的吸附剂的制备方法，采用共沉淀法和水热合成自组装法制成。
更进一步的具体实施例中，具体制备步骤为：
（1）将FeCl2·4H2O和FeCl3·6H2O混合溶解在氮气排氧的蒸馏水中，FeCl2·4H2O和FeCl3·6H2O的配比为1～6：1；
（2）在80℃下，加入1mol/L的氢氧化钠，氮气保护下搅拌2～3h，磁性分离后60℃干燥得到磁性氧化铁；
（3）将步骤（2）所得磁性氧化铁在常温下与甲基丙烯酸混合，比例为0.1～0.5g：20mL；
（4）加入Cr(NO3)3·9H2O或FeCl3·6H2O和对苯二甲酸、蒸馏水，混合均匀后加入聚四氟乙烯反应釜中，Cr(NO3)3·9H2O或FeCl3·6H2O：对苯二甲酸：蒸馏水的摩尔比为1：2：280，反应温度为150～220℃，反应时间为12～24h；
（5）反应后用N,N’—二甲基甲酰胺洗涤产物，干燥后获得包裹磁性内核的金属有机骨架材料吸附剂。
一种用于处理染料废水的吸附剂的应用，处理含甲基橙、亚甲基蓝、碱性红、碱性黄、酸性红、阳离子红等染料中的一种或几种。
更进一步的具体实施例中，具体应用步骤为：
（1）将吸附剂加入到含甲基橙、亚甲基蓝、碱性红、碱性黄、酸性红、阳离子红等染料中的一种或几种的废水中，温度为4～40℃，浓度为25～400mg/L，pH值为2～12，搅拌12h，磁性分离得到吸附染料的吸附剂；
（2）将吸附染料的吸附剂加入到50～80℃的水溶液中，搅拌数分钟，磁性分离，可分别得到染料溶液和吸附剂，从而实现染料回收和吸附剂循环使用的目的。
3、本发明的有益效果。
（1）本发明的具有孔径大小可控金属有机骨架材料外壳以及磁性氧化铁内核，两者的结合，一方面可以改变温度调节外壳孔径的大小，控制吸附剂对染料的吸附和脱附能力，另一方面利用磁铁将吸附染料的吸附剂从处理水中分离出来，操作简便；可达到高效去除废水中染料的目的以及吸附剂的重复使用和染料的回收利用；如200mg/L的甲基橙染料采用本发明的吸附剂吸附，最大吸附量可达到900mg/L。
（2）本发明在酸性和碱性条件下具有良好的稳定性，能有效地去除废水中的染料。
（3）本发明对吸附过程中的条件要求比较低，吸附剂在温度较高时，其孔道变化会释放所吸附的染料，对染料的吸附力非常弱，所以只需通过适当的加热即可使染料脱附，实验表明，在60℃的水溶液中脱附效果最佳，可实现吸附剂的重复使用和染料的回收利用。
具体实施方式
为了使专利局的审查员尤其是公众能够更加清楚地理解本发明的技术实质和有益效果，申请人将在下面以实施例的方式作详细说明，但是对实施例的描述均不是对本发明方案的限制，任何依据本发明构思所作出的仅仅为形式上的而非实质性的等效变换都应视为本发明的技术方案范畴。
实施例
下面的实施例将对本发明予以进一步的说明，但本发明的内容完全不限于此。
一种包裹磁性内核的金属有机骨架材料吸附剂，其磁性内核为氧化铁纳米球，占吸附剂的质量分数为15%～20%，所述氧化铁为Fe3O4或γ-Fe2O3。一种包裹磁性内核的金属有机骨架材料吸附剂，其外壳为孔道大小可变的金属有机骨架材料，所述金属有机骨架材料为MIL-53(Cr)或MIL-53(Fe)。
一种包裹磁性内核的金属有机骨架材料吸附剂的制备方法，其具体步骤为：
将FeCl2·4H2O和FeCl3·6H2O混合溶解在氮气排氧的蒸馏水中，FeCl2·4H2O和FeCl3·6H2O的配比为1～6：1，在80℃下，加入1mol/L的氢氧化钠，氮气保护下搅拌2～3h，磁性分离后60℃干燥得到磁性氧化铁；将所得磁性氧化铁在常温下与甲基丙烯酸混合，比例为0.1～0.5g：20mL，加入Cr(NO3)3·9H2O或FeCl3·6H2O和对苯二甲酸、蒸馏水，混合均匀后加入聚四氟乙烯反应釜中，Cr(NO3)3·9H2O或FeCl3·6H2O：对苯二甲酸：蒸馏水的摩尔比为1：2：280，反应温度为150～220℃，反应时间为12～24h；反应后用N,N’—二甲基甲酰胺洗涤产物，干燥后获得包裹磁性内核的金属有机骨架材料吸附剂。
一种包裹磁性内核的金属有机骨架材料吸附剂在用于染料废水中的应用，其具体步骤为：
将吸附剂加入到含甲基橙、亚甲基蓝、碱性红、碱性黄、酸性红、阳离子红等染料中的一种或几种的废水中，温度为4～40℃，浓度为25～400mg/L，pH值为2～12，搅拌12h，磁性分离得到吸附染料的吸附剂；将吸附染料的吸附剂加入到60℃的水溶液中，搅拌数分钟，磁性分离，可分别得到染料溶液和吸附剂，从而实现染料回收和吸附剂循环使用的目的。
实验1～6
吸附剂的制备：将FeCl2·4H2O（0.024mol）和FeCl3·6H2O（0.04mol）混合溶解在氮气排氧的蒸馏水160mL中，搅拌均匀后，水浴加热至80℃，加入1mol/L的氢氧化钠50mL，氮气保护下搅拌3h，磁性分离后60℃干燥得到磁性氧化铁；称取0.1g的磁性氧化铁在常温下与20mL的甲基丙烯酸混合，再加入0.05mol的Cr(NO3)3·9H2O、0.1mol的对苯二甲酸和140mL蒸馏水混合均匀后，置于聚四氟乙烯反应釜中，升温至180℃，反应时间为12h；反应后用N,N’-二甲基甲酰胺洗涤产物，干燥后获得包裹磁性内核的金属有机骨架材料吸附剂。
吸附剂应用实验：
称取制备好的吸附剂20mg分别加入到100mL，pH=2，4，6，8，10，12的100mg/L的甲基橙染料溶液中，其中pH=2，4，6，8，10，12分别对应实施例1，2，3，4，5，6；在25℃下搅拌12h，磁性分离，使用紫外—可见分光光度法测定溶液中的染料浓度，废水中染料吸附量以及去除率测试结果见表1。由表1的测试结果可知，当溶液的pH在2～12的范围内时，吸附剂对染料的去除率均大于90%，由此可见，在酸性和碱性条件下吸附剂均具有良好的稳定性，能有效地去除废水中的染料。
表1：
pH值 吸附量（mg/g） 去除率（%）
实验1 2 476 95.2
实验2 4 495 99.0
实验3 6 488 97.6
实验4 8 485 97.0
实验5 10 466 93.2
实验6 12 452 90.4
实验7～12
吸附剂的制备：将FeCl2·4H2O（0.024mol）和FeCl3·6H2O（0.04mol）混合溶解在氮气排氧的蒸馏水160mL中，搅拌均匀后，水浴加热至80℃，加入1mol/L的氢氧化钠50mL，氮气保护下搅拌3h，磁性分离后60℃干燥得到磁性氧化铁；称取0.1g的磁性氧化铁在常温下与20mL的甲基丙烯酸混合，再加入0.05mol的FeCl3·6H2O、0.1mol的对苯二甲酸和140mL蒸馏水混合均匀后，置于聚四氟乙烯反应釜中，升温至150℃，反应时间为15h；反应后用N,N’-二甲基甲酰胺洗涤产物，干燥后获得包裹磁性内核的金属有机骨架材料吸附剂。
吸附剂应用实验：
称取制备好的吸附剂20mg分别加入到100mL，pH=4，初始浓度为25，80，150，200，300，400mg/L的甲基橙染料溶液中，其中初始浓度为25，80，150，200，300，400mg/L分别对应实施例7，8，9，10，11，12；在25℃下搅拌12h，磁性分离，使用紫外—可见分光光度法测定溶液中的染料浓度，废水中染料吸附量以及去除率测试结果见表2。由表2的测试结果可知，随着初始浓度的增加吸附量逐渐提高，去除率有所下降，当初始浓度小于150mg/L时，对染料的去除率大于99%，此时吸附剂的使用量与染料废水的量比值高达1：7500，表明吸附剂对染料废水具有优异的处理能力。
表2：
实验7 实验8 实验9 实验10 实验11 实验12
初始浓（mg/L） 25 80 150 200 300 400
吸附量（mg/g） 125 399.2 744.75 972 1282.5 1486
去除率（%） 100 99.8 99.3 97.2 85.5 74.3

Claims (8)

1.一种用于处理染料废水的吸附剂，其特征在于：磁性氧化铁纳米球为内核，表面包覆孔道大小可控的金属有机骨架材料外壳。
2.根据权利要求1所述的用于处理染料废水的吸附剂，其特征在于：所述的磁性氧化铁纳米球的组成为Fe3O4或γ-Fe2O3。
3.根据权利要求1所述的用于处理染料废水的吸附剂，其特征在于：金属有机骨架材料外壳的组成为孔道大小可变的MIL-53(Cr)或MIL-53(Fe)。
4.根据权利要求1所述的用于处理染料废水的吸附剂，其特征在于：所述的磁性内核为氧化铁纳米球占吸附剂的质量分数为15%～20%。
5.一种权利要求1-4任一所述的吸附剂的制备方法，其特征在于：采用共沉淀法和水热合成自组装法制成。
6.根据权利要求5所述的吸附剂的制备方法，其特征在于具体步骤为：
（1）将FeCl2·4H2O和FeCl3·6H2O混合溶解在氮气排氧的蒸馏水中，FeCl2·4H2O和FeCl3·6H2O的配比为1～6：1；
（2）在80℃下，加入1mol/L的氢氧化钠，氮气保护下搅拌2～3h，磁性分离后60℃干燥得到磁性氧化铁；
（3）将步骤（2）所得磁性氧化铁在常温下与甲基丙烯酸混合，比例为0.1～0.5g：20mL；
（4）加入Cr(NO3)3·9H2O或FeCl3·6H2O和对苯二甲酸、蒸馏水，混合均匀后加入聚四氟乙烯反应釜中，Cr(NO3)3·9H2O或FeCl3·6H2O：对苯二甲酸：蒸馏水的摩尔比为1：2：280，反应温度为150～220℃，反应时间为12～24h；
（5）反应后用N,N’—二甲基甲酰胺洗涤产物，干燥后获得包裹磁性内核的金属有机骨架材料吸附剂。
7.一种使用如权利要求1-4任一所述的吸附剂的应用，其特征在于：处理含甲基橙、亚甲基蓝、碱性红、碱性黄、酸性红、阳离子红等染料中的一种或几种。
8.根据权利要求7所述的吸附剂的应用，其特征在于具体步骤为：
（1）将吸附剂加入到含甲基橙、亚甲基蓝、碱性红、碱性黄、酸性红、阳离子红等染料中的一种或几种的废水中，温度为4～40℃，浓度为25～400mg/L，pH值为2～12，搅拌12h，磁性分离得到吸附染料的吸附剂；
（2）将吸附染料的吸附剂加入到50～80℃的水溶液中，搅拌数分钟，磁性分离，可分别得到染料溶液和吸附剂，从而实现染料回收和吸附剂循环使用的目的。
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