CN106076289A - 一种超快速金属离子通用液态吸附剂的制备及金属离子吸附装置 - Google Patents

一种超快速金属离子通用液态吸附剂的制备及金属离子吸附装置 Download PDF

Info

Publication number
CN106076289A
CN106076289A CN201610436677.9A CN201610436677A CN106076289A CN 106076289 A CN106076289 A CN 106076289A CN 201610436677 A CN201610436677 A CN 201610436677A CN 106076289 A CN106076289 A CN 106076289A
Authority
CN
China
Prior art keywords
metal ion
liquid adsorbent
adsorbent
peo
supper
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201610436677.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN106076289B (zh
Inventor
周苇
曹薇
郭林
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beihang University
Original Assignee
Beihang University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beihang University filed Critical Beihang University
Priority to CN201610436677.9A priority Critical patent/CN106076289B/zh
Publication of CN106076289A publication Critical patent/CN106076289A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN106076289B publication Critical patent/CN106076289B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/22—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof comprising organic material
    • B01J20/26—Synthetic macromolecular compounds
    • B01J20/262—Synthetic macromolecular compounds obtained otherwise than by reactions only involving carbon to carbon unsaturated bonds, e.g. obtained by polycondensation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/02—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof comprising inorganic material
    • B01J20/20—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof comprising inorganic material comprising free carbon; comprising carbon obtained by carbonising processes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/28—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof characterised by their form or physical properties
    • B01J20/28014—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof characterised by their form or physical properties characterised by their form
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/28—Treatment of water, waste water, or sewage by sorption
    • C02F1/288—Treatment of water, waste water, or sewage by sorption using composite sorbents, e.g. coated, impregnated, multi-layered
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2101/00—Nature of the contaminant
    • C02F2101/10—Inorganic compounds
    • C02F2101/20—Heavy metals or heavy metal compounds

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Hydrology & Water Resources (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Water Supply & Treatment (AREA)
  • Solid-Sorbent Or Filter-Aiding Compositions (AREA)
  • Water Treatment By Sorption (AREA)

Abstract

本发明公开了一种超快速金属离子通用液态吸附剂的制备，及其超快速多步吸附水中金属离子的应用。本发明以氧化石墨烯GO水溶液和聚氧化乙烯PEO水溶液制备得到GO‑PEO液态吸附剂。利用此种高效液态吸附剂，设计串联吸附装置，可实现混合金属离子的超快速高效去除，在处理金属离子污染的水质方面有好的应用前景。

Description

一种超快速金属离子通用液态吸附剂的制备及金属离子吸附 装置
技术领域
本发明提出“液态吸附剂”概念，涉及材料技术领域中制备高性能金属离子吸附剂的方法，具体是指一种超快速金属离子通用液态吸附剂的制备及基于此类液态吸附剂设计的一种金属离子吸附装置。
背景技术
近年来，由于社会经济的快速发展，工农业废弃物的任意丢弃，尤其是工业废水的超标排放，已导致严重的环境问题。由重金属离子造成的恶性污染事件在全球频繁发生。重金属既可以直接进入水体、土壤和大气，造成对多种环境要素的直接污染，也可以在水体、土壤和大气中相互转移，造成对各类环境要素的间接污染。因此，如何去除废水中的重金属离子成为目前研究领域亟待解决的问题。
众多重金属去除技术如絮凝法、沉淀法、生物修复法、吸附法等，吸附法由于治理过程不产生二次污染、效果显著、设备简单、工艺成熟等特点而在实际生产生活中得到广泛的应用。吸附剂的开发是吸附法成功应用的关键技术。它需要具备吸附效果好、吸附选择性好、吸附速率快、容易再生和重复利用、机械强度高、化学性质稳定、材料来源广和价格低廉等条件。近年来，国内外报道的吸附剂主要包括矿物吸附剂、天然吸附剂、传统碳材料吸附剂、新型碳材料吸附剂以及纳米化合物吸附剂等(参考文献1：Kuppusamy Vijayaraghavan,Umid M.Joshi.Chicken Eggshells Remove Pb(II)Ions from Synthetic Wastewater[J].Environmental Engineering Science,2013(30):2)。为了便于储存，上述吸附剂的形式都是固态物质。固态吸附剂尤其是纳米材料吸附剂，使用过程中某些团聚的微结构很难再次分散开，严重影响材料的吸附性能。
发明内容
为了解决现有技术中固态吸附剂存在的问题，本发明提供一种现用现制的高活性液态吸附剂及基于所述的液态吸附剂的金属离子吸附装置。本发明提出液态吸附剂的概念，利用有机物修饰的氧化石墨烯复合材料的水溶液制备了超快速、高效液态吸附剂。此吸附剂制备方法简单、易于操作，原材料氧化石墨烯容易获得。另外原材料价廉，可大量工业购买。所制备的液态吸附剂具有高的比表面积及活性位点，它不仅能快速实现对单一金属离子或混合金属离子的超快速(几十秒达到吸附平衡)、高效去除，并且均匀悬浊液的液态吸附剂在吸附足够金属离子后会沉降，形成絮状物质，便于吸附剂的回收再利用。
本发明提供的一种超快速金属离子通用液态吸附剂的制备，具体包括如下步骤：
第一步，GO(氧化石墨烯)浓缩液的制备。
第二步，将水溶性聚合物粉末PEO(聚氧化乙烯)在25℃下溶于超纯水中，超声至完全溶解，得到聚合物PEO水溶液。
第三步，将GO浓缩液在25℃下稀释，超声分散均匀，得到GO水溶液。
第四步，将GO水溶液放入100mL单口烧瓶中，在磁力搅拌下将PEO水溶液滴入其中，在25℃下搅拌2h，即可制备得到GO-PEO液态吸附剂。所述的液态吸附剂中所含GO和PEO质量比为7:1～1:7。
制备GO-PEO液态吸附剂的关键是：制备GO浓缩液时不能直接干燥，必须冷冻干燥或保存为液态浓缩液，否则易团聚，影响液态吸附剂的性能。
上述方法制备得到的液态吸附剂，GO和PEO的质量比为7:1～1:7。所述的液态吸附剂可以分别或同时对多种金属离子实现快速高效的吸附。
本发明还提供一种金属离子吸附装置，所述装置包括竖直方向串联的多个反应器，每个反应器内水平设置至少一层过滤膜，过滤膜上下均为液态吸附剂。所述装置可以实现废水到净化水的高效超快速吸附过滤。
本发明提供的液态吸附剂及金属离子吸附装置与现有技术相比，优点如下：
(1)GO需要浓缩液保存，PEO为粉末态，通过水溶液简单混合即可快速制备液态吸附剂。所用GO及PEO均为环境友好型材料。
(2)突破传统观念，GO-PEO液态吸附剂表面的吸附位点都能得到最佳利用；传统粉末吸附剂尤其是纳米吸附剂，在水溶液中不易分散均匀，团聚严重，直接影响了吸附性能。
(3)传统粉末吸附剂只能针对1～3种金属离子吸附，对其他大部分金属离子吸附性能较差；而本发明的液态吸附剂，能同时对几乎所有金属离子具有优异的吸附效果。
(4)吸附速率超快，是此液态吸附剂的最大优势。由于石墨烯的成本问题，每批次用量较少，所以吸附的金属离子总量无法与传统吸附剂相比；但是利用几十秒达到吸附平衡的优势，通过设计串联装置，只要经过数次吸附(时间不超过10min)，吸附效果(总去除率和总吸附量)就能远胜于传统吸附剂。
附图说明
图1为本发明中置于铜网上的GO-PEO吸附剂的透射电镜图片。
图2A为本发明中GO-PEO吸附剂对Pb(II)的吸附等温线，内插图为金属离子浓度从20ppm递增到500ppm吸附沉降图。
图2B为BGO-PEO吸附剂对Pb(II)的吸附过程中时间对吸附量影响示意图。
图3为本发明中GO-PEO吸附剂对混合离子的循环吸附效率示意图。
图4为本发明中GO-PEO吸附剂对混合离子吸附的串联装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
本实施例提供一种超快速金属离子通用液态吸附剂的制备，所述的液态吸附剂采用搅拌混合法，具体包括以下步骤：
第一步，GO(氧化石墨烯)浓缩液的制备。
采用改进的Hummers法(参考文献2：Wei Gao,Mainak Majumder,LawrenceB.Alemany,et al.Engineered Graphite Oxide Materials for Application in WaterPurification,ACS Appl.Mater.Interfaces 2011,3,1821–1826)，即利用强氧化剂剥离石墨层制得GO浓缩液，其过程如下：
(1).取15mL浓硫酸于50mL烧瓶中，在搅拌下依次加入3g石墨粉末、2.5g K2S2O8、2.5g P2O5，80℃水浴反应6h后，缓慢加入到装有500mL去离子水的大烧瓶中，使用离心机将黑色沉淀从溶液中分离出来，60℃烘干；
(2).准备冰浴，取115mL浓硫酸于大烧杯中，搅拌下将上述烘干的物质加入其中，随后加入15g KMnO4，溶液颜色变为墨绿色，35℃下搅拌2h后，缓慢滴加250mL去离子水(保持温度不高于50℃)；
(3).20℃下继续搅拌2h，随后依次加入700mL水与10ml 30wt.％H2O2，溶液颜色转变为棕黄色；
(4).将步骤(3)中棕黄色溶液离心，将得到的沉淀用1.5L 10wt.％HCl与1.5L去离子水洗样，直至pH＝7；将制得的样品超声分散，保存GO浓缩液备用。
第二步，将10mg水溶性聚合物粉末PEO(聚氧化乙烯)在25℃下溶于10mL超纯水中，超声30min至完全溶解，得到聚合物PEO水溶液。
第三步，将GO浓缩液在25℃下稀释，超声30min分散均匀，得到GO水溶液，确保每40ml GO水溶液所含GO质量为70mg。
第四步，将40mlGO水溶液放入100mL单口烧瓶中，在磁力搅拌下将PEO水溶液滴入其中，在25℃下搅拌2h，即可制备得到50ml GO-PEO液态吸附剂。所述的液态吸附剂中所含GO和PEO质量比为7:1。
所述PEO的相对分子质量为300000。
复合后的产物与GO保持相同的形貌，呈现出二维特性，片层非常薄，表面可以看到少许褶皱，这也正是产物能够稳定存在的原因，如图1所示，置于铜网上的液态吸附剂的表面的褶皱可以降低自身能量。通过基础实验研究得到了液态吸附剂吸附Pb(II)的最佳条件，即:GO与PEO复合比例为70:10，吸附温度条件为室温。GO与PEO分别配制成水溶液后以最佳质量比为7:1混匀，即得液态吸附剂，形态为棕黄透明的悬浊液，片层形态仍为氧化石墨烯片层结构，表征厚度为1～2层碳原子层。
实施例2
调整液态吸附剂中所含GO和PEO质量比为1:1，其余条件不变。制备得到不同GO和PEO质量比的液态吸附剂。
第一步，GO(氧化石墨烯)浓缩液的制备。
(1).取15mL浓硫酸于50mL烧瓶中，在搅拌下依次加入3g石墨粉末、2.5g K2S2O8、2.5g P2O5，80℃水浴反应6h后，缓慢加入到装有500mL去离子水的大烧瓶中，使用离心机将黑色沉淀从溶液中分离出来，60℃烘干；
(2).准备冰浴，取115mL浓硫酸于大烧杯中，搅拌下将上述烘干的物质加入其中，随后加入15g KMnO4，溶液颜色变为墨绿色，35℃下搅拌2h后，缓慢滴加250mL去离子水(加保持温度不高于50℃)；
(3).20℃下继续搅拌2h，随后依次加入700mL水与10ml 30wt.％H2O2，溶液颜色转变为棕黄色；
(4).离心，将得到的沉淀用1.5L 10wt.％HCl与1.5L去离子水洗样，直至pH＝7；将制得的样品超声分散，保存GO浓缩液备用。
第二步，将40mg水溶性聚合物粉末PEO(聚氧化乙烯)在25℃下溶于10mL超纯水中，超声30min至完全溶解，得到聚合物PEO水溶液。
第三步，将GO浓缩液在25℃下稀释，超声30min分散均匀，得到GO水溶液，确保每40ml GO水溶液所含GO质量为40mg。
第四步，将40mlGO水溶液放入100mL单口烧瓶中，在磁力搅拌下将PEO水溶液滴入其中，在25℃下搅拌2h，即可制备得到50ml GO-PEO液态吸附剂。所述的液态吸附剂中所含GO和PEO质量比为1:1。
实施例3
调整液态吸附剂中所含GO和PEO质量比为1:7，其余条件不变。制备得到不同GO和PEO质量比的液态吸附剂。
第一步，GO(氧化石墨烯)浓缩液的制备。
(1).取15mL浓硫酸于50mL烧瓶中，在搅拌下依次加入3g石墨粉末、2.5g K2S2O8、2.5g P2O5，80℃水浴反应6h后，缓慢加入到装有500mL去离子水的大烧瓶中，使用离心机将黑色沉淀从溶液中分离出来，60℃烘干；
(2).准备冰浴，取115mL浓硫酸于大烧杯中，搅拌下将上述烘干的物质加入其中，随后加入15g KMnO4，溶液颜色变为墨绿色，35℃下搅拌2h后，缓慢滴加250mL去离子水(保持温度不高于50℃)；
(3).20℃下继续搅拌2h，随后依次加入700mL水与10ml 30wt.％H2O2，溶液颜色转变为棕黄色；
(4).离心，将得到的沉淀用1.5L 10wt.％HCl与1.5L去离子水洗样，直至pH＝7；将制得的样品超声分散，保存GO浓缩液备用。
第二步，将70mg水溶性聚合物粉末PEO(聚氧化乙烯)在25℃下溶于10mL超纯水中，超声30min至完全溶解，得到聚合物PEO水溶液。
第三步，将GO浓缩液在25℃下稀释，超声30min分散均匀，得到GO水溶液，确保每40ml GO水溶液所含GO质量为10mg。
第四步，将40mlGO水溶液放入100mL单口烧瓶中，在磁力搅拌下将PEO水溶液滴入其中，在25℃下搅拌2h，即可制备得到50ml GO-PEO液态吸附剂。所述的液态吸附剂中所含GO和PEO质量比为1:7。
实施例4
制备得到GO水溶液，作为对比液态吸附剂。
第一步，GO(氧化石墨烯)浓缩液的制备。
(1).取15mL浓硫酸于50mL烧瓶中，在搅拌下依次加入3g石墨粉末、2.5g K2S2O8、2.5g P2O5，80℃水浴反应6h后，缓慢加入到装有500mL去离子水的大烧瓶中，使用离心机将黑色沉淀从溶液中分离出来，60℃烘干；
(2).准备冰浴，取115mL浓硫酸于大烧杯中，搅拌下将上述烘干的物质加入其中，随后加入15g KMnO4，溶液颜色变为墨绿色，35℃下搅拌2h后，缓慢滴加250mL去离子水(保持温度不高于50℃)；
(3).20℃下继续搅拌2h，随后依次加入700mL水与10ml 30wt.％H2O2，溶液颜色转变为棕黄色；
(4).离心，将得到的沉淀用1.5L 10wt.％HCl与1.5L去离子水洗样，直至pH＝7；将制得的样品超声分散，保存GO浓缩液备用。
第二步，将GO浓缩液在25℃下稀释，超声30min分散均匀，得到GO水溶液，确保每50ml GO水溶液所含GO质量为80mg。
实施例5
制备得到PEO水溶液，作为对比液态吸附剂。
将80mg水溶性聚合物粉末PEO(聚氧化乙烯)在25℃下溶于50mL超纯水中，超声30min至完全溶解，得到聚合物PEO水溶液。
将实施例制备得到的GO-PEO液态吸附剂分别用于水中金属离子的去除，所述的金属离子来自如下所述的金属盐，包括硝酸锂(LiNO3)、硝酸钠(NaNO3)、硝酸镁(Mg(NO3)2)、硝酸钾(KNO3)、硝酸钙(Ca(NO3)2)、硝酸锰(Mn(NO3)2)、硝酸亚铁(Fe(NO3)2)、硝酸钴(Co(NO3)2)、硝酸镍(Ni(NO3)2)、硝酸铜(Cu(NO3)2)、硝酸锌(Zn(NO3)2)、硝酸银(AgNO3)、硝酸镉(Cd(NO3)2)、硝酸钡(Ba(NO3)2)、硝酸汞(Hg(NO3)2)和硝酸铅(Pb(NO3)2)。通过一系列的吸附测试，证明本发明的液态吸附剂对金属离子均有好的吸附效果，此液态吸附剂具有吸附金属离子的普适性。
取实施例1-5制备的三种比例的GO-PEO液态吸附剂、两种对比液态吸附剂GO水溶液和PEO水溶液各25mL，吸附实验条件为：Pb2+的初始浓度为80ppm，吸附pH均为7.0，温度为25℃，取样时间为2h。
表1本发明不同比例的GO与PEO相复合所制备的液态吸附剂对Pb2+的吸附性能
GO：PEO(mg:mg) 80:0 70:10 40:40 10:70 0:80
吸附效率(％) 46.34 85.49 49.92 16.30 18.09
吸附量(mg/g) 45.64 95.34 50.20 17.02 27.92
其中，GO和PEO的质量比分别为(80:0)、(70:10)、(40:40)所复合而成的液态吸附剂均具有较好的吸附性能(见表1)，吸附率分别为46.34％、85.49％和49.92％，其中以GO:PEO(70：10)效果为最佳。
取实施例1-3制备的三种比例的GO-PEO液态吸附剂各25mL，吸附实验条件为：Pb2+的初始浓度为80ppm，吸附pH为7.0，温度为25℃～90℃，取样时间为2h。
表2本发明不同温度下GO与PEO相复合所制备的吸附剂对Pb2+的吸附性能
表2中，通过改变温度条件(即25℃～90℃)，可以看到液态吸附剂仍然具有较好的吸附性能(见表2)，吸附量从10.75mg/g到87.97mg/g，且室温25℃条件下吸附性能最佳。
实施例6
第一步，GO(氧化石墨烯)浓缩液的制备。
(1).取15mL浓硫酸于50mL烧瓶中，在搅拌下依次加入3g石墨粉末、2.5g K2S2O8、2.5g P2O5，80℃水浴反应6h后，缓慢加入到装有500mL去离子水的大烧瓶中，使用离心机将黑色沉淀从溶液中分离出来，60℃烘干；
(2).准备冰浴，取115mL浓硫酸于大烧杯中，搅拌下将上述烘干的物质加入其中，随后加入15g KMnO4，溶液颜色变为墨绿色，35℃下搅拌2h后，缓慢滴加250mL去离子水(保持温度不高于50℃)；
(3).20℃下继续搅拌2h，随后依次加入700mL水与10ml 30wt.％H2O2，溶液颜色转变为棕黄色；
(4).离心，将得到的沉淀用1.5L 10wt.％HCl与1.5L去离子水洗样，直至pH＝7；将制得的样品超声分散，保存GO浓缩液备用。
第二步，分别将4mg、8mg、10mg、12mg、16mg水溶性聚合物粉末PEO(聚氧化乙烯)在25℃下溶于10mL超纯水中，超声30min至完全溶解，分别得到五种浓度的聚合物PEO水溶液。
第三步，将GO浓缩液在25℃下稀释，超声30min分散均匀，得到GO水溶液，分别配置出每40ml GO水溶液所含GO质量为28mg、56mg、70mg、84mg和112mg。
第四步，分别将40ml五种浓度的GO水溶液分别放入100mL单口烧瓶中，在磁力搅拌下将如表3对应的PEO水溶液滴入其中，在25℃下搅拌2h，即可制备得到50ml五种不同浓度的GO-PEO液态吸附剂。所述的液态吸附剂中所含GO和PEO质量比为7:1。
分别取实施例6中共五种GO-PEO液态吸附剂各25mL，吸附实验条件为：Pb2+的初始浓度为80ppm，吸附pH为7.0，温度为25℃，取样时间为2h。
表3本发明不同吸附剂用量对Pb2+的吸附性能
其中，通过改变液态吸附剂中用吸附剂总质量，即每25ml含GO-PEO从16mg到64mg都可以得到较好的吸附性能(见表3)，吸附率从30％到95.64％，且在吸附剂用量为40mg时，吸附性能最佳。
取实施例1中GO-PEO液态吸附剂25mL，吸附实验条件为：三种金属离子初始浓度为80ppm，吸附pH为2-7，温度为25℃，取样时间为2h。
表4本发明不同吸附pH条件下对三种金属离子的吸附性能
其中，通过改变吸附pH从2-7，都可以得到较好的吸附性能(见表4)，如Ni(Ⅱ)的吸附量从16.64mg/g到96.96mg/g，Ba(Ⅱ)的吸附量从30.85mg/g到136.45mg/g，Pb(Ⅱ)的吸附量从35.86mg/g到142.72mg/g，且在吸附pH为7时，吸附性能最佳。但是当大于7时，金属离子会发生水解，无法判断吸附量是来源于吸附本身还是水解。所以确定最佳吸附状态为pH＝7.
分别配制25mL 10ppm和1000ppm的金属离子标准溶液，金属离子有Li(I)、Na(I)、Mg(II)、K(I)、Ca(II)、Mn(II)、Fe(III)、Co(II)、Ni(II)、Cu(II)、Zn(II)、Ag(I)、Cd(II)、Ba(II)、Hg(II)、Pb(II)。然后将这些金属离子标准溶液分别加入实施例1中制备的液态吸附剂中进行吸附测试。2h后取样，离心，取上清液，用0.45μm水系针式过滤器过滤，然后用ICP-OES测其剩余金属离子的浓度。如表5所示，本发明的液态吸附剂，对10ppm二价金属离子的吸附效率均可达80％以上。对1000ppm所有金属离子的吸附量均可达40mg/g以上，对二价金属离子均可达60mg/g以上，对重金属离子Ba(II)、Hg(II)、Pb(II)更是可达100mg/g以上。因此，液态吸附剂对几乎所有的金属离子均具有优异的吸附性能，即低浓度下的高吸附效率及高浓度下的高吸附量。
表5本发明中GO-PEO吸附剂对不同金属离子的吸附性能。
配制一系列不同浓度的Pb(II)标准溶液(分别20ppm～2000ppm)，将这些金属离子标准溶液分别加入实施例1中制备的液态吸附剂中进行吸附测试。5分钟以内每隔一分钟取样，5分钟后每隔10分钟取样，离心，取上清液，用0.45μm水系针式过滤器过滤，然后用ICP-OES测其剩余金属离子的浓度。如图2A、2B，吸附剂对Pb(II)的吸附量最高可达150mg/g以上，且低浓度(20ppm～100ppm)下20s即达到平衡，即使在2000ppm超高浓度下30min也可达到平衡，可以看出，液态吸附剂对不同浓度的金属离子同样具有很好的吸附性能。同时图2A可以看到，随着吸附金属离子的浓度从20ppm到500ppm增大，悬浊液逐步沉降的过程。
按照实施例1的方法制备75mLGO-PEO液态吸附剂于200mL锥形瓶中，放入25℃恒温水浴振荡器中。配制25mL初始浓度均为50ppm的混合金属离子标准溶液，金属离子有Ni(II)、Cu(II)、Ag(I)、Cd(II)、Ba(II)、Pb(II)。所述的金属离子来自金属盐包括硝酸镍(Ni(NO3)2)、硝酸铜(Cu(NO3)2)、硝酸银(AgNO3)、硝酸镉(Cd(NO3)2)、硝酸钡(Ba(NO3)2)和硝酸铅(Pb(NO3)2)。然后将此混合金属离子标准溶液加入液态吸附剂中进行吸附测试。2min后将溶液全部离心，取上清液0.2ml，用稀硝酸稀释至4ml，用0.45μm水系针式过滤器过滤，然后用ICP-OES测其剩余混合金属离子的浓度。剩余的99.8ml上清液蒸发浓缩至25ml，继续加入等量液态吸附剂进行第二次吸附，重复操作，直至达到降解要求。由于多种金属离子混合，总金属离子浓度较高。本发明的液态吸附剂的主要特色是超快速吸附(二十秒吸附平衡)，经过4次循环后(时间不超过10min)，吸附效率已可达90％以上(如图3)。且Ba(II)、Pb(II)重金属离子经1-2次即可达100％去除率。所谓超快速即在很短时间内(30s)就可以达到吸附的平衡。
本发明还提供一种金属离子吸附装置，所述的金属离子吸附装置包括在竖直方向串联的一个以上反应器，在每个反应器中间平行于底面放入至少两层孔径0.2-0.45μm的过滤膜，将反应器分隔为至少三个部分，所述的过滤膜只允许水和金属离子通过；在反应器侧面用水泵等压力装置将GO-PEO液态吸附剂推入每个反应器内；同时，在反应器最上部倒入含有金属离子的溶液(待净化的废水)，最下层的反应器用压力装置加速滤液流出，废水在反应器内进行吸附，吸附产生的沉淀可由过滤膜阻挡，吸附后的滤液(含净化水和废水)流入下一个反应器，与新的GO-PEO吸附剂相遇从而继续进行吸附，直至最后获得净化水。每步吸附金属离子的量与设计串联的级数，可根据实际需要设计。
此液态吸附剂的优势是，能快速处理痕量(甚至低于10ppm)到高浓度(2000ppm)的多种金属离子(广泛性)，且可通过多步串联装置，快速实现单一或混合离子的去除，工业效率高。此吸附剂吸附离子达到饱和后，沉降出的絮状物利于吸附剂回收，直接通过空气中高温燃烧去除其中的碳元素，得到对应金属的氧化物，实现金属离子的便捷回收，减少了环境污染。缺点是，这类吸附剂属于消耗型。它适用污水末端排放的超级净化。

Claims (9)

1.一种超快速金属离子通用液态吸附剂的制备，包括以下步骤：
第一步，氧化石墨烯GO浓缩液的制备；
第二步，将水溶性聚合物粉末聚氧化乙烯PEO溶于超纯水中超声至完全溶解，得到聚合物PEO水溶液；
第三步，将GO浓缩液稀释，超声分散均匀，得到GO水溶液；
第四步，将GO水溶液放入单口烧瓶中，在磁力搅拌下将PEO水溶液滴入其中，搅拌即可制备得到液态吸附剂。
2.根据权利要求1所述的一种超快速金属离子通用液态吸附剂的制备，其特征在于：所述PEO的相对分子质量为300000，所述的液态吸附剂中所含GO和PEO质量比为7:1～1:7。
3.根据权利要求1所述的一种超快速金属离子通用液态吸附剂的制备，其特征在于：所述GO浓缩液的制备采用的是改进的Hummers法即利用强氧化剂剥离石墨层制得,其过程如下：
(1)取15mL浓硫酸于50mL烧瓶中，在搅拌下依次加入3g石墨粉末、2.5g K2S2O8、2.5gP2O5，80℃水浴6h后，缓慢加入到装有500mL去离子水的大烧瓶中，使用离心机将黑色沉淀从溶液中分离出来，60℃烘干；
(2)准备冰浴，取115mL浓硫酸于大烧杯中，搅拌下将上述烘干的物质加入其中，随后加入15g KMnO4，溶液颜色变为墨绿色，35℃下搅拌2h后，缓慢滴加250mL去离子水并保持温度不高于50℃；
(3)20℃下继续搅拌2h，随后依次加入700mL水与10ml 30wt.％H2O2，溶液颜色转变为棕黄色；
(4)将步骤(3)中棕黄色溶液离心，将得到的沉淀用1.5L 10wt.％HCl与1.5L去离子水洗样，直至pH＝7；将制得的样品超声分散，保存浓缩液体备用。
4.根据权利要求1所述的一种超快速金属离子通用液态吸附剂的制备，其特征在于：所述的PEO水溶液中，10mL超纯水中含有10mg～70mgPEO。
5.根据权利要求1所述的一种超快速金属离子通用液态吸附剂的制备，其特征在于：所述的GO水溶液中，每40ml GO水溶液所含GO质量为10mg～70mg。
6.一种超快速金属离子通用液态吸附剂，其特征在于：所述的液态吸附剂中所含GO和PEO质量比为7:1～1:7；形态为棕黄透明的悬浊液，片层形态为氧化石墨烯片层结构，表征厚度为1～2层碳原子层。
7.一种超快速金属离子通用液态吸附剂的应用，其特征在于：应用所述的吸附剂，吸附温度为室温25℃；除Hg(II)的吸附pH为2.0以外，其他金属离子吸附pH均为7.0。
8.一种金属离子吸附装置，其特征在于：包括在竖直方向串联的一个以上反应器，在每个反应器中间平行于底边放入至少一层过滤膜，所述的过滤膜只允许水和金属离子通过；每个反应器内注入液态吸附剂；同时，在反应器最上部倒入含有金属离子的待净化的废水，废水在反应器内经过液态吸附剂吸附，吸附产生的沉淀由过滤膜阻挡；直至最后获得净化水。
9.根据权利要求8所述的一种金属离子吸附装置，其特征在于：所述过滤膜的孔径0.2-0.45μm。
CN201610436677.9A 2016-06-17 2016-06-17 一种超快速金属离子通用液态吸附剂的制备及金属离子吸附装置 Active CN106076289B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610436677.9A CN106076289B (zh) 2016-06-17 2016-06-17 一种超快速金属离子通用液态吸附剂的制备及金属离子吸附装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610436677.9A CN106076289B (zh) 2016-06-17 2016-06-17 一种超快速金属离子通用液态吸附剂的制备及金属离子吸附装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN106076289A true CN106076289A (zh) 2016-11-09
CN106076289B CN106076289B (zh) 2018-08-17

Family

ID=57235634

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610436677.9A Active CN106076289B (zh) 2016-06-17 2016-06-17 一种超快速金属离子通用液态吸附剂的制备及金属离子吸附装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN106076289B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108383289A (zh) * 2018-05-03 2018-08-10 长春工程学院 利用磁性纳米材料处理污水中重金属的装置及方法

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3995457A1 (en) * 2020-11-09 2022-05-11 Consiglio Nazionale Delle Ricerche Method for the treatment of a liquid

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101564673A (zh) * 2009-05-27 2009-10-28 北京化工大学 一种吸收铜离子的液体吸附剂
CN103285825A (zh) * 2013-06-13 2013-09-11 同济大学 一种提高重金属生物吸附剂产量的方法
CN103407997A (zh) * 2013-07-19 2013-11-27 北京航空航天大学 一种可用于室内空气净化的宏观三维石墨烯气凝胶吸附材料的宏量制备方法
CN103594249A (zh) * 2013-11-29 2014-02-19 天津理工大学 一种氧化石墨烯-纳米石墨粉复合物对电极的制备及应用
CN104772118A (zh) * 2015-04-24 2015-07-15 河北工业大学 一种亲水性石墨烯基碳材料及其应用

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101564673A (zh) * 2009-05-27 2009-10-28 北京化工大学 一种吸收铜离子的液体吸附剂
CN103285825A (zh) * 2013-06-13 2013-09-11 同济大学 一种提高重金属生物吸附剂产量的方法
CN103407997A (zh) * 2013-07-19 2013-11-27 北京航空航天大学 一种可用于室内空气净化的宏观三维石墨烯气凝胶吸附材料的宏量制备方法
CN103594249A (zh) * 2013-11-29 2014-02-19 天津理工大学 一种氧化石墨烯-纳米石墨粉复合物对电极的制备及应用
CN104772118A (zh) * 2015-04-24 2015-07-15 河北工业大学 一种亲水性石墨烯基碳材料及其应用

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108383289A (zh) * 2018-05-03 2018-08-10 长春工程学院 利用磁性纳米材料处理污水中重金属的装置及方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN106076289B (zh) 2018-08-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Park et al. Removal of cobalt, strontium and cesium from radioactive laundry wastewater by ammonium molybdophosphate–polyacrylonitrile (AMP–PAN)
Yang et al. Fabrication of a reusable polymer-based cerium hydroxide nanocomposite with high stability for preferable phosphate removal
CN103769058B (zh) 碳化壳聚糖吸附剂的制备方法、产品及应用方法
Ji et al. Sorption enhancement of nickel (II) from wastewater by ZIF-8 modified with poly (sodium 4-styrenesulfonate): Mechanism and kinetic study
CN102908997B (zh) 一种复合水处理剂及其制备方法与应用
CN107983319B (zh) 纳米氢氧化镧复合材料的制备及去除废水中微量磷的方法
CN108262002B (zh) 一种去除锑的Fe-Ti二元氧化物吸附剂的制备方法及应用
CN111718719B (zh) 一种硫化纳米零价铁-酸活化蒙脱石复合材料及其制备方法与应用
Bidhendi et al. Removal of lead ions from wastewater using magnesium sulfide nanoparticles caged alginate microbeads
CN106076261A (zh) 一种重金属离子吸附剂及制备方法和应用
WO2016192311A1 (zh) 一种基于刻蚀模板法制备的中空铁锰复合物材料及其应用
Du et al. Enhanced phosphate removal by using La-Zr binary metal oxide nanoparticles confined in millimeter-sized anion exchanger
CN112237899B (zh) 一种用于黑臭水体除磷的镧镁改性海泡石
Shan et al. Magnetite/hydrated cerium (III) carbonate for efficient phosphate elimination from aqueous solutions and the mechanistic investigation
Namasivayam et al. Kinetic studies of adsorption of thiocyanate onto ZnCl2 activated carbon from coir pith, an agricultural solid waste
CN107469765A (zh) 一种硅藻土/铁酸镁复合材料的制备方法
Altaf et al. Modified magnetite adsorbent (Zr–La@ Fe3O4) for nitrilotrismethylenephosphonate (NTMP) removal and recovery from wastewater
Zayadi et al. Removal of zinc and ferum ions using tilapia mossambica fish scale
Kajjumba et al. A review of the application of cerium and lanthanum in phosphorus removal during wastewater treatment: Characteristics, mechanism, and recovery
CN107970890B (zh) 一种羟基铁改性活性炭复合材料及其制备方法
CN106076289B (zh) 一种超快速金属离子通用液态吸附剂的制备及金属离子吸附装置
Yuan et al. One-step fabrication and characterization of a poly (vinyl alcohol)/silver hybrid nanofiber mat by electrospinning for multifunctional applications
Xiang et al. Layered aerogel embedded with thiourea-resorcinol-formaldehyde resin for efficient adsorption of Au (III)
CN110433765B (zh) Edta插层铁锰层状双金属氢氧化物的制备方法及其应用
CN103990435B (zh) 一种电气石/枝接改性含硫氧化石墨烯复合吸附材料及其制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant