CN105688838B - 利用秸秆制备水处理吸附材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了利用秸秆制备水处理吸附材料的方法，该方法包括如下步骤：(1)秸秆去掉外层表皮，切成长4‑6mm小段，干燥备用；(2)向步骤(1)得到的秸秆中加入氢氧化钠溶液浸渍2‑6小时；(3)步骤(2)处理后的秸秆水洗后沥干，加入铁盐溶液，振荡2小时以上；(4)步骤(3)处理后的秸秆用水洗涤至洗出液pH值为7‑8；(5)步骤(4)处理后的材料将水沥干后，烘干即得到水处理吸附材料。
Description
技术领域
本发明涉及水处理吸附材料的制备方法，具体涉及利用秸秆制备水处理吸附材料的方法。
背景技术
秸秆等农业废弃物储量丰富，是地球上重要的生物质资源。农业废弃物的综合利用引起学者高度关注。其中利用秸秆制备吸附剂是一个重要方向。由于秸秆本身对水中污染物的吸附能力不强，因此需要进行改性。常规的酸、碱、高温、蒸汽爆破、化学接枝等改性方法过程复杂，而且效果并不好。
近些年来，水合氧化铁(HFO)引起了环保学者的关注，因其环境友好、价格低廉、化学稳定性好，且在不同pH环境条件下可以吸附阳离子或阴离子等独特优点，被认为是极具前景的吸附剂。但HFO颗粒极细(2-10nm左右)，不易从水中沉降分离，若直接应用于柱吸附等流态的处理系统中将引起很大压降。将HFO的细小颗粒负载到某些载体表面可以很好地避免该问题。
国内外学者曾报道将水合氧化铁(HFO)负载到大孔阳离子交换树脂上，先将Fe3+阳离子交换到树脂的功能基上，然后加碱对Fe3+进行原位沉积形成HFO，该技术路线取得了很好的负载效果，已成为惯常采用的负载HFO的思路和方案。比如中国发明专利CN 104138748公开了一种制备重金属吸附剂的技术方法，先将木材、玉米棒、秸秆等废弃物粉碎成颗粒(0.1-1.0mm)，然后与Fe(III)盐溶液接触，再用NaOH-NaCl混合溶液进行沉淀，从而将HFO负载到废弃物颗粒表面，制得重金属吸附剂。该种技术方法的缺点在于：(1)秸秆等生物质本身对Fe(III)的亲和力不强，吸附量很小，将废弃物充分粉碎可以暴露出较多的活性位点，但这需要消耗较多的动力和能量，而且对Fe(III)吸附量的提升仍有限；(2)所制得的吸附剂呈粉末状，在水中不易分离，水处理中容易流失，柱吸附中压降大，而且机械强度差，在实际使用中不方便；(3)现有技术中，形成的氧化铁胶体与秸秆之间缺少强健结合，可以推测HFO的负载不够稳定，其公开文件也未能给出相关稳定性的证据。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种利用秸秆制备水处理吸附材料的方法，该吸附材料具有HFO负载量大、负载更稳定、在水处理中使用更方便的优势。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
利用秸秆制备水处理吸附材料的方法，该方法包括如下步骤：
(1)秸秆去掉外层表皮，切成长4-6mm小段，干燥备用；
(2)向步骤(1)得到的秸秆中加入氢氧化钠溶液浸渍2-6小时；
(3)步骤(2)处理后的秸秆水洗后沥干，加入铁盐溶液，振荡2小时以上；
(4)步骤(3)处理后的秸秆用水洗涤至洗出液pH值为7-8；
(5)步骤(4)处理后的材料将水沥干后，烘干即得到水处理吸附材料。
步骤(1)中，所述的小段为环状结构。秸秆切成小段后可以自然形成这种中空的环状结构，这种环状结构可以使吸附材料的流体力学性能以及机械强度大大改善，在水中容易分离，在水处理中不易流失，柱压降小，使用方便。优选控制长径比为(0.8-1.5)：1。
步骤(1)中，所述的干燥为自然风干或在60-80℃以下烘干；步骤(5)中，所述的烘干为在50-70℃下烘干。
步骤(2)中，所述的氢氧化钠溶液，浓度为15-20wt％；对于每克秸秆，氢氧化钠溶液的加入量为20-40ml。
步骤(2)中，所述的氢氧化钠溶液用氨水替换；氨水浓度为10-15wt％。
步骤(2)的反应机理为：(1)秸秆表面富含羟基等极性基团，能够吸附大量NaOH，并能产生一定量羧基，这为Fe(III)的结合、氧化铁原位组装并与秸秆表面羟基、羧基等含氧基团的键合创造了条件，从而提高HFO负载的稳定性；(2)通过氢氧化钠碱液浸渍可以去除秸秆表面的蜡质层，一定程度上破坏秸秆的致密结构，暴露出更多羟基和羧基，从而增加了Fe(III)的负载位点，增大氧化铁的负载量。
步骤(3)中，秸秆水洗2～3遍后沥干。
步骤(3)中，所述的铁盐溶液为三氯化铁、硝酸铁或硫酸铁，优选三氯化铁。
步骤(3)中，所述的铁盐溶液，浓度为10-30wt％；对于按每克秸秆，铁盐溶液的加入量为30-50ml。
上述方法制备得到的水处理吸附材料也在本发明的保护范围之内。
上述水处理吸附材料在含有重金属阳离子(如Pb2+、Cu2+、Cd2+、Ni2+、Zn2+等)、或含阴离子污染物(如PO4 3-、Cr2O7 2-、ASO4 3-等)的废水处理中的应用也在本发明的保护范围之内。
有益效果：本发明相对于现有技术具有如下优势：
1.HFO负载量大(Fe负载量可达到18％)，这也使得所得复合材料具有较大的吸附容量；HFO的负载更加稳定：将RS-HFO与水悬浮液在40kHz，600w下连续超声30分钟，溶液中未检测到Fe流失；RS-HFO在pH>3.2溶液中浸泡3天，未检测到Fe流失。
2.所得吸附材料呈环状，长径比可调控，相对于粉末状材料，其流体力学性能和机械强度好，在水处理中不易流失、容易分离、柱吸附中压降小。
3.HFO在不同pH下带电荷不同，在pH近中性时对水中的Pb2+、Cu2+、Cd2+、Ni2+、Zn2+等重金属阳离子具有专属亲和力，在偏酸性条件下对水中的Cr2O7 2-、PO4 3-、ASO4 3-等阴离子污染物具有专属亲和力。由于HFO的独特性能，所制得的复合吸附材料RS-HFO对水中污染物具有很好的选择性吸附和深度去除能力，实验结果表明：(1)当溶液中共存高浓度的Na+、K+、Mg2 +、Ca2+等常规阳离子时，在较经济的吸附剂用量下，仍能将出水Cu(II)浓度降至0.05mg/L以下；(2)当溶液中共存高浓度的Cl-，SO4 2-等常规阴离子时，在较经济的吸附剂用量下，仍能将P(V)降至0.02mg/L以下。
4.所制得复合材料吸附饱和后可以脱附再生，重复使用。
附图说明
图1为含铜离子模拟水质柱吸附试验结果；
图2为含磷酸根模拟水质柱吸附试验结果；
图3为现有技术思路与本发明思路所制得两种吸附材料的投加量试验对比；
图4为复合吸附材料RS-HFO脱附再生循环使用试验结果。
具体实施方式
根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的内容仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
实施例1：
稻秸秆去掉外层表皮，剪切成长4-5mm的环状小段，自然风干备用。
称取2g秸秆至100ml锥形瓶中，加入20wt％NaOH溶液60ml，常温下浸渍2小时。
经碱处理的秸秆水洗2遍后沥干，加入30wt％FeCl3溶液100ml，常温下振荡3小时。
反应结束后，用水洗涤秸秆至洗出液pH为7-8。
将水沥干后，在60℃下烘干，即得到复合吸附材料(RS-HFO)。Fe含量为18wt％。
对比例1：
先铁盐溶液震荡处理，再进行碱处理，其余条件同实施例1，结果指的复合吸附材料，Fe含量为11％。
实施例2：
麦秸秆去除外层表皮，切割成长5-6mm的环状小段，80℃烘干备用。
称取2g秸秆至100ml锥形瓶中，加入15wt％NaOH溶液80ml，常温下浸渍4小时。
经碱处理的秸秆水洗2遍后沥干，加入20wt％Fe(NO3)3溶液60ml，常温下振荡5小时。
反应结束后，用水洗涤秸秆至洗出液pH为7-8。
将水沥干后，在50℃下烘干，即得到复合吸附材料(WS-HFO)。Fe含量为15wt％。
对比例2：
先铁盐溶液震荡处理，再进行碱处理，其余条件同实施例2，结果指的复合吸附材料，Fe含量为8％。
实施例3：
稻秸秆去掉外层表皮，剪切成长4-5mm的环状小段，自然风干备用。
称取2g秸秆至100ml锥形瓶中，加入10wt％氨水40ml，常温下浸渍6小时。
经碱处理的秸秆水洗2遍后沥干，加入10wt％Fe2(SO4)3溶液80ml，常温下振荡4小时。
反应结束后，用水洗涤秸秆至洗出液pH为7-8。
将水沥干后，在70℃下烘干，即得到复合吸附材料(RS-HFO)。Fe含量为13wt％。
对比例3：
先铁盐溶液震荡处理，再进行碱处理，其余条件同实施例3，结果指的复合吸附材料，Fe含量为6％。
实施例4：
将5ml(堆积湿体积)实施例1制备得到的复合吸附材料RS-HFO装入直径1.2cm的玻璃吸附柱中，用蠕动泵控制流速，使5mg/L的Cu2+溶液以6BV/h(BV，床体积)的流量通过吸附柱，前420BV出水Cu(II)浓度小于0.02mg/L；若在Cu2+溶液中加入较高浓度的竞争离子(Na+＝K+＝200mg/L，Mg2+＝Ca2+＝100mg/L)，则前330BV出水Cu(II)浓度小于0.05mg/L。含铜离子模拟水质柱吸附试验结果见图1。
吸附饱和后，用pH＝3-3.5的盐酸溶液12BV过柱脱附，再用0.01mol/L的NaOH溶液2BV过柱转型，脱附流量为3BV/h。铜脱附率达到99％。
实施例5：
将5ml(堆积湿体积)实施例2制备得到的复合吸附材料WS-HFO装入直径1.2cm的玻璃吸附柱中，用蠕动泵控制流速，使含P(V)2mg/L的NaH2PO4溶液以6BV/h(BV，床体积)的流量通过吸附柱，前500BV出水P(V)浓度小于0.01mg/L；若在溶液中加入较高浓度的竞争阴离子(Cl-＝500mg/L，SO4 2-＝200mg/L)，则前450BV出水P(V)浓度小于0.02mg/L。含磷酸根模拟水质柱吸附试验结果见图2。
吸附饱和后，用1wt％NaOH溶液8BV过柱脱附，水洗至中性，脱附流量为3BV/h。P(V)脱附率达到100％。
实施例6：
静态吸附投加量试验：称取不同质量的实施例1制备得到的复合吸附材料RS-HFO至100ml锥形瓶中，分别加入Cr(VI)浓度为10mg/L、pH为4的重铬酸钾溶液50ml，25℃下振荡6小时，检测吸附后水中Cr(VI)浓度。结果表明，当吸附剂用量为0.06g时，Cr(VI)浓度接近0。
为了进一步说明本发明的优势，进行对比试验。
(1)采用现有技术的思路制备该种材料，即先用FeCl3溶液处理秸秆，再用NaOH溶液沉淀，其余条件和操作均相同(与实施例1相同)，制得复合吸附材料(RS-HFO-P)。进行投加量试验，结果表明当吸附剂用量为0.11g时，Cr(VI)浓度接近0。两种吸附材料投加量试验效果对比见图3。(2)HFO负载的稳定性对比试验：将吸附材料与水的悬浮液进行超声处理(40kHz，600w，连续30分钟)，经检测RS-HFO未发现Fe流失，而RS-HFO-P的Fe含量下降2％。
实施例7：
称取0.06g实施例1制备得到的复合吸附材料RS-HFO至100ml锥形瓶中，加入Cr(VI)浓度为10mg/L、pH为4的重铬酸钾溶液50ml，25℃下振荡6小时，检测吸附后水中Cr(VI)浓度计算去除率，吸附结束，将RS-HFO沥干；加入1wt％NaOH溶液10ml，振荡1小时，沥干，水洗至中性，脱附再生结束，接着进行第2次吸附。依此连续进行10次吸附-脱附循环试验，Cr(VI)去除率始终保持在98％以上。复合吸附材料RS-HFO脱附再生循环使用试验结果见图4。
Claims (7)
1.利用秸秆制备水处理吸附材料的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1) 秸秆去掉外层表皮，切成长4-6 mm小段，干燥备用；
(2) 向步骤(1)得到的秸秆中加入氢氧化钠溶液浸渍2-6小时；
(3) 步骤(2)处理后的秸秆水洗后沥干，加入铁盐溶液，振荡2小时以上；
(4) 步骤(3)处理后的秸秆用水洗涤至洗出液pH值为7-8；
(5) 步骤(4)处理后的材料将水沥干后，烘干即得到水处理吸附材料；
步骤(1)中，所述的小段为环状结构；
步骤(2)中，所述的氢氧化钠溶液，浓度为15-20wt%；对于每克秸秆，氢氧化钠溶液的加入量为20-40 ml；
步骤(3)中，所述的铁盐溶液为三氯化铁、硝酸铁或硫酸铁。
2.根据权利要求1所述的利用秸秆制备水处理吸附材料的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的干燥为自然风干或在60-80℃烘干；步骤(5)中，所述的烘干为在50-70℃下烘干。
3.根据权利要求1所述的利用秸秆制备水处理吸附材料的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的氢氧化钠溶液用氨水替换；氨水浓度为10-15wt%。
4.根据权利要求1所述的利用秸秆制备水处理吸附材料的方法，其特征在于，步骤(3)中，秸秆水洗2~3遍后沥干。
5.根据权利要求1所述的利用秸秆制备水处理吸附材料的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述的铁盐溶液，浓度为10-30wt%；对于每克秸秆，铁盐溶液的加入量为30-50 ml。
6.权利要求1~5中任意一项方法制备得到的水处理吸附材料。
7.权利要求6所述的水处理吸附材料在含有重金属阳离子、或含有磷酸根阴离子、或含有重铬酸根阴离子、或含有砷酸根阴离子的废水处理中的应用。
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