CN106268644A - 一种高效水净化材料及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型高效水净化材料及其制备方法，该方法包括石墨烯孔洞的构造，多级次孔状结构陶瓷基体颗粒的制备，及在陶瓷基体颗粒上制备氧化物纳米颗粒等步骤。本方法制备的水净化材料利用多级次孔状陶瓷基体、基体中的氧化物纳米颗粒和石墨烯的协同效应，通过物理吸附和化学反应协同作用，去除水中的重金属离子，并形成相对稳定结构。该材料空隙率高，比表面积大，吸附能力强，几乎可完全去除水中镍、铅、砷、汞、锰、镉、铬等多种有害重金属，是一种高效、环保、低成本的水净化材料，可用于水体净化处理。

Description

一种高效水净化材料及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于重金属水净化技术领域，涉及一种新型高效滤除水中镍、铬、砷等重金属净化材料的制备方法，尤其涉及一种用于工业废水处理的新型高效水净化材料及其制备方法。
背景技术
在环境与人类健康领域，重金属主要指汞(Hg)、镉(Cd)、铅(Pb)、铬(Cr)、砷(As)、锰(Mn)铜(Cu)、锌(Zn)、钴(Co)、镍(Ni)等重金属。随着我国经济、社会发展，水资源短缺、水污染问题日趋严重。重金属是水环境中的主要污染物之一，有关统计表明，我国金属废水约占废水排放总量的10％，主要来自电镀、线路板、采矿、冶金、化工等工业，具有潜在的危害性，特别是汞、镉、铅、铬等重金属具有显著的生物毒性，微量浓度即可产生毒性，在微生物作用下会转化为毒性更强的有机金属化合物(如甲基汞)，或被生物富集通过食物链进入人体，造成慢性中毒。重金属废水毒性大，在环境中不易被代谢，且修复困难。因此，积极开展重金属废水处理及回用新技术研究，有效去除并回收废水中重金属资源已经势在必行。
重金属废水传统处理方法主要有化学沉淀法、离子交换法、溶剂萃取法、电解法、吸附法、生物法等。其中化学沉淀法为国内外金属废水处理常用的方法，化学沉淀法是向含重金属的废水中加入碱、混凝剂、PAM等药剂，反应生成不溶于水的氢氧化物絮体颗粒，经过沉淀从废水中去除。中国发明CN 105253971A提供了一种不借助混凝剂和助凝剂来加速沉淀的方法。该方法利用沉淀物本身或者一些其他的惰性物质(如石英砂等)来加速硫化物的沉淀速度，来解决硫化物沉淀难以被沉淀掉的缺点。化学混凝沉淀法产生的污泥量大，成份复杂，难以利用，多采用填埋处置，实际上重金属对环境的危害依然长期存在，一旦造成对地下水和地表水的严重污染，治理将要付出更加昂贵的代价。同时反应、沉淀等构筑物多，占地面积相对较大，运行成本较高；且污泥靠重力沉降，出水水质不易稳定达标。
CN 103274757 B提供了一种高效滤除放射性碘和铯的功能陶瓷材料及其制备方法。该材料是以工业污泥和粘土为主料，配以活性炭或木屑、氢氧化钙或碳酸钙、铁粉或氧化铁粉及液体石蜡等辅料，通过混和、搅拌、造粒等过程，最终在缺氧或还原气氛中烧结得到多孔陶粒。该方法能高效去除放射性碘和铯，去除其他重金属离子的效率需要进一步提高。但是由于该方法造孔的尺寸有限多为微米级别的孔洞，陶粒的比表面积难以进一步提高。
纳米材料比表面积大，因而在重金属离子吸附方面有很大优势。随着纳米技术的发展，各种纳米颗粒逐步应用到重金属离子的去除方面。CN 104801280A提供了一种负载壳聚糖磁性纳米颗粒生物质炭吸附剂的制备方法，包括生物质炭的制备、壳聚糖-乙酸溶液的制备、铁溶液的制备、负载壳聚糖磁性纳米颗粒生物质炭的制备等步骤。该方法采用生物炭物理吸附，去除重金属离子的效率不高。
CN 100536983C公开了以石英砂或者沸石粒为基体，纳米铝(铁)氧化物或氢氧化物为改性过滤层，作为去除废水中重金属离子的水净化材料及其制备方法。该方法使用的基体材料对重金属离子去除能力差，同时纤维状的纳米颗粒对重金属离子的去除效果也不如球状纳米颗粒，因而重金属离子去除率有待提高。
另外石墨烯作为一种比表面积极大的新型材料，在水体净化方面也具有明显的优势，不过由于石墨烯的价格较高，通长需要和其他传统材料复合，以提高其利用价值。通常将石墨烯和其他材料复合造粒很难将石墨烯暴露在气固界面处，大部分石墨烯会被掩埋在复合材料的固相中，无法发挥高比表面的吸附作用。例如：将石墨烯和膨润土、液体石蜡、污泥混合制备的多孔陶粒，大部分石墨烯将会被完全淹没在陶粒的固相中，而在陶粒多孔的气固界面处很难有石墨烯暴露，因此石墨烯的高比表面特性并不能有效的发挥吸附作用。
因此，本领域亟待一种高效环保的重金属废水净化材料，既能高效去除水中的重金属离子，又不会对环境进行二次污染，同时简单操作、运行成本低。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的第一目的在于提供一种新型的高效滤除水中镍、铬、砷等重金属净化材料及其制备方法。该材料利用多级次孔状陶瓷基体、基体中的氧化物纳米颗粒以及高比表面的石墨烯三者的协同效应，通过物理吸附和化学反应同步作用，去除水中的重金属离子，并形成相对稳定结构。该材料通过物理吸附和化学反应固定重金属离子的原理去除重金属离子，去除效率更高。该材料孔隙率高，比表面积大，吸附能力强，能高效去除水中多种有害重金属。对铅、砷、汞、锰、镉、镍、铬等重金属的去除率达95％以上，其中汞的去除率可达99.9％。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种高效水净化材料，按重量份计，由包括如下组分的原料制备而成：60-80份工业污泥和粘土、8-16份氢氧化钙或碳酸钙、6-9份活性炭或木屑、5-8份氧化铁粉或铁粉、0.1～0.5份氯化铵、1～2份明胶、1～2份聚乙烯吡咯烷酮、1-5份复合浆料、1～7份液体石蜡；
其中，所述复合浆料中包括1-3份氧化石墨烯，1-2份纳米碳酸钙，和500份的热乙醇。
采用上述原料，能够制得理想的高效水净化材料。
优选地，所述复合浆料中氧化石墨烯和纳米碳酸钙的质量比为1:1。二者采用1:1的用量能够确保复合浆料在后续造孔过程中能够保证石墨烯有效的暴露于孔洞处。
本发明所述的工业污泥看泛指工业上产生的各类污泥废弃物，作为优选的技术方案，本发明所述工业污泥为污水处理厂的废弃污泥。此类污泥具有来源广泛、价格低廉等优点。
优选地，本发明所述粘土为膨润土、活性白土或高岭土中的一种或多种。
更为具体地，理想的选择如膨润土、活性白土、高岭土中的一种；或高岭土与膨润土的混合物，二者混合使用时，理想的用量比为1:2～2:3，此比例所铸造的陶瓷基体具有较高的强度。
本发明所述的高效水净化材料，其中，所述工业污泥和粘土的重量比介于1：2和2：1之间，在上述用量范围下，有利于陶瓷基粒的成型。
优选地，所述的铝盐为氯化铝、硫酸铝、硝酸铝等的一种或多种，更优选为硫酸铝、硝酸铝。
作为更理想的技术方案，本发明所述的高效水净化材料，按重量份计，由包括如下组分的原料制备而成：70-80份工业污泥和粘土、8-12份氢氧化钙、6-9份木屑、5-8份铁粉、0.1～0.5份氯化铵、1～2份明胶、1～2份聚乙烯吡咯烷酮、1-2份复合浆料、1～3份液体石蜡；
其中，所述复合浆料中包括1-3份氧化石墨烯，1-2份纳米碳酸钙，和500份的热乙醇；所述的工业污泥和粘土由质量比为3:5的污泥、粘土组成，所述粘土为高岭土与膨润土的混合物，其质量比为1:2。
本发明同时提供了一种制备高效水净化材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：
(1)将重量份为1-3份氧化石墨烯，1-2份纳米碳酸钙，放进500份的热乙醇中，并进行充分搅拌，纳米碳酸钙被氧化石墨烯吸附包裹，得到复合浆料；
(2)将重量份为60-80份工业污泥和粘土，6-9份活性炭或木屑，8-16份氢氧化钙或碳酸钙，5-8份氧化铁粉或铁粉，0.1～0.5份氯化铵，1～2份明胶，1～2份聚乙烯吡咯烷酮，1-5份步骤(1)所述复合浆料，1～7份液体石蜡放入用高剪切搅拌机中进行充分混合、搅拌，调制成泥浆，使用造粒机将泥浆制成泥粒，并晾干成坯；
(3)将步骤(1)制备的泥坯放置在高温炉中，在还原气氛或者厌氧条件下烧制，升温速度不得超过每小时90℃，在炉温升至550-600℃时，保温1.5-3小时；然后再以每小时90℃的升温速度，将炉温升到1000-1300℃，保温3-5小时；停止加热，以每小时100-150℃的速度将炉温降至室温，得到纳米孔和微米孔共存的多级次孔状结构陶瓷基体颗粒；
(4)将制备的所述陶瓷基体颗粒放入0.1-0.5M铝盐溶液中，在磁力搅拌的同时，缓慢放入氨水并持续搅拌30-60分钟；然后过滤、冲洗、并在空气炉中干燥；
(5)将制备的材料放在马弗炉中1000-1200℃焙烤1-2小时，然后在炉内自然冷却至室温，即得。
本发明所述的制备方法，步骤(1)氧化石墨烯利用其极大的比表面积，以及纳米颗粒表面丰富的活性基团分布，氧化石墨烯能够将纳米碳酸钙及纳米碳酸铁进行吸附包裹，并得到絮状团聚物复合浆料，而通常氧化石墨烯并不能包裹微米级的粉体材料。一种非限制性的包覆方式示意图如图1所示。
优选地，步骤(3)中所述的还原气氛或厌氧条件可为真空、氩气氛、氮气氛或者氢气份中的任一种。
优选地，步骤(3)中，升温速度为每小时60-90℃(第一次升温)，控制升温速率在上述范围能够保证陶粒中孔洞的均匀性。
步骤(3)中高温过程中，微米尺寸的碳酸盐以及氯化铵等将会分解放出CO2、NH3、HCl等气体用于构造陶粒中微米级别的孔洞；而氧化石墨烯包裹的纳米级别的氧化钙在高温下将会分解放出CO2，用于氧化石墨烯中原位造孔使其形成纳米尺度的孔洞，使氧化石墨烯能够位于孔洞的界面处，而非淹没在陶粒基体中。
一种非限制性的对比图例如图2(a)所示，图2(a)是直接添加石墨烯作为原料被用于陶粒造粒、烧结所形成的结构，其中101是多孔陶粒，201是陶粒中的微米级别孔洞，301是掩埋在陶粒固态基体中石墨烯片层。
一种非限制性的本发明所述新型高效水净化材料结构如图2(b)所示。
图2(b)是本发明所述的石墨烯包裹纳米颗粒作为原料被用于陶粒造粒、烧结所形成的结构，其中102是多孔陶粒，202是陶粒基体中微米级别的孔洞，302是石墨烯，402是陶粒基体中的纳米级别的孔洞，从图示可知石墨烯暴露在孔洞的气固界面处而非淹没在陶粒固相基体中。
本发明同时请求以上述制备方法制得的高效水净化材料，所述高效水净化材料包括：陶瓷基体颗粒主体结构，陶瓷基体主体结构中包含微纳级别的孔洞，微纳级别孔洞处包含暴露于孔洞处的石墨烯片层。
本发明所述的新型高效水净化材料利用多级次孔状陶粒、陶粒中的氧化物纳米颗粒以及孔洞界面处的石墨烯，三者的协同效应，可高效去除水中镍、铅、砷、汞、锰、镉、铬等多种有害重金属，其技术特点如下：
(1)利用多级次孔状陶粒、氧化物纳米颗粒以及石墨烯三者的协同效应，物理吸附和化学反应共同作用，进一步提高去除重金属离子的效率，扩大去除重金属离子的种类。
(2)本发明的石墨烯能够被有效的暴露在气固界面处微纳级别的孔洞处，能够增大陶粒的比表面积和吸附能力。
(3)本发明的水净化材料在厌氧条件或还原气氛下烧结，使污泥中的有机物碳化，增加了材料的孔隙率，使该材料具有活性炭的功能。
(4)本发明的水净化材料原料中包含铁元素，经高温烧结后，与污泥和粘土中的硅元素结合，形成复杂的Si-Fe化合物，使材料具有很强的离子交换和固定能力。
(5)本发明的水净化材料通过和重金属离子发生缓慢的化学反应，形成相对稳定结构，因而可以固定这些重金属离子，不再释放到环境中去。
本发明的有益效果为：
(1)本发明的水净化材料利用多级次孔状陶粒，氧化物纳米颗粒以及石墨烯三者的协同效应祛除重金属离子，去除效率更高。
(2)本发明的水净化材料进行废水处理后产生稳定物质，用后的滤料可安全填埋，不产生二次污染，对环境友好。
(3)本发明的水净化材料原料中使用大量的工业废水污泥，属于以废治废，其他原料成本极低，且操作简单，使用成本低，适用于大规模应用。
附图说明
图1为一种非限制性石墨烯包覆纳米碳酸钙的结构示意图；
图2中：
(a)：一种非限制性石墨烯淹埋于陶粒固相基体的结构示意图；
(b)：一种非限制性石墨烯暴露于陶粒孔洞处的结构示意图；
图3为实施例1所制备氧化石墨烯包裹吸附纳米碳酸钙的结构形貌扫描电镜图；
图4为实施例1所制备陶粒中石墨烯暴露于孔洞结构处的形貌扫描电镜图；
图5为实施例1所制备陶粒的形貌扫描电镜图片；
图6为实施例1所制备陶粒的微米级孔洞结构的扫描电镜图；
图7为净水装置的结构示意图；其中，1为进水口；2为泵；3为重金属废水处理池；4为陶粒层；5为砾石层；6为排水口。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
以下各实施例中所用原料均可市购获得，所述污泥为国内某污水处理厂的废弃污泥。
实施例1
本发明所述的新型高效滤除水净化材料的制备，按以下步骤实施：
(1)将原料1kg份氧化石墨烯，1kg纳米碳酸钙，放进500kg的热乙醇中，并进行充分搅拌，纳米碳酸钙被氧化石墨烯吸附包裹，得到复合浆料；
(2)将原料30kg污泥，50kg粘土，8kg氢氧化钙，6kg木屑，5kg铁粉，0.5kg氯化铵，1kg明胶，1kg聚乙烯吡咯烷酮，2kg步骤(1)所制备的复合浆料及1kg石蜡液充分混合、搅拌，调制成泥浆，其中所述粘土为高岭土与膨润土的混合物，其质量比为1:2；使用造粒机将泥浆制成泥粒，并晾干成坯。
(3)将步骤(2)制备的泥坯放置在高温烧结炉中，在氮气(N2)氛围下烧结。烧结过程如下：以每小时60℃的升温速度，将炉温升至550℃时，保温3小时；然后再以每小时90℃的升温速度，将炉温升到1000℃，保温4小时；停止加热，以每小时100℃的速度将炉温降至室温，得到纳米孔和微米孔共存的多级次孔状陶粒，石墨烯暴露于孔状结构处；
(4)将制备的陶粒放入0.1M硫酸铝溶液中，在磁力搅拌的同时，缓慢放入氨水并持续搅拌60分钟；然后过滤、冲洗、并在空气炉80℃中干燥；
(5)将制备的材料放在马弗炉中1100℃焙烤1.2小时，然后在炉内自然冷却至室温，得到高效水净化材料。
图3展示了由该实施例步骤(1)所制备的氧化石墨烯包裹吸附纳米碳酸钙的结构形貌扫描电镜图。
图4展示了由该实施例1制备陶粒中，石墨烯暴露于孔洞结构处的形貌扫描电镜图。
图5展示了本发明实施例1所制备的陶粒形貌的扫描电镜图片。
图6展示了本发明实施例1所制备陶粒的微米级孔洞结构的扫描电镜图。
实施例2
本发明所述的新型高效滤除水净化材料的制备，按以下步骤实施：
(1)将原料1kg份氧化石墨烯，1kg纳米碳酸钙，放进500kg的热乙醇中，并进行充分搅拌，纳米碳酸钙被氧化石墨烯吸附包裹，得到复合浆料；
(2)将50kg污泥，28kg，8kg氢氧化钙，7kg木屑，5kg铁粉，0.5kg氯化铵，1kg明胶，1kg聚乙烯吡咯烷酮，2kg步骤(1)所制备的复合浆料及2kg石蜡液充分混合、搅拌，调制成泥浆，使用造粒机将泥浆制成泥粒，并晾干成坯；
(3)将步骤(2)制备的泥坯放置在高温烧结炉中，在氩气(Ar)氛围下烧结。烧结过程如下：以每小时90℃的升温速度，将炉温升至600℃时，保温2小时；然后再以每小时90℃的升温速度，将炉温升到1200℃，保温3小时；停止加热，以每小时150℃的速度将炉温降至室温，得到纳米孔和微米孔共存的多级次孔状陶粒，石墨烯暴露于孔状结构处；
(4)将制备的陶粒放入0.3M氯化铝溶液中，在磁力搅拌的同时，缓慢放入氨水并持续搅拌40分钟；然后过滤、冲洗、并在空气炉85℃中干燥；
(5)将制备的材料放在马弗炉中1000℃焙烤2小时，然后在炉内自然冷却至室温，得到高效水净化材料。
实施例3
本发明所述的新型高效滤除水净化材料的制备，按以下步骤实施：
(1)将原料1.5kg份氧化石墨烯，1.5kg纳米碳酸钙，放进500kg的热乙醇中，并进行充分搅拌，纳米碳酸钙被氧化石墨烯吸附包裹，得到复合浆料；
(2)将40kg污泥，30kg高岭土，11kg碳酸钙，7kg活性炭，7kg铁粉，0.5kg氯化铵，1kg明胶，1kg聚乙烯吡咯烷酮，2kg步骤(1)所制备的复合浆料及5kg石蜡液充分混合、搅拌，调制成泥浆，使用造粒机将泥浆制成泥粒，并晾干成坯；
(3)将步骤(2)制备的泥坯放置在高温烧结炉中，在氢气(H2)氛围下烧结。烧结过程如下：以每小时80℃的升温速度，将炉温升至560℃时，保温2小时；然后再以每小时90℃的升温速度，将炉温升到1100℃，保温3小时；停止加热，以每小时120℃的速度将炉温降至室温，得到纳米孔和微米孔共存的多级次孔状陶粒，石墨烯暴露于孔状结构处；
(4)将制备的陶粒放入0.5M硝酸铝溶液中，在磁力搅拌的同时，缓慢放入氨水并持续搅拌30分钟；然后过滤、冲洗、并在空气炉90℃中干燥；
(5)将制备的材料放在马弗炉中1200℃焙烤1小时，然后在炉内自然冷却至室温，得到高效水净化材料。
实施例4
本发明所述的新型高效滤除水净化材料的制备，按以下步骤实施：
(1)将原料1.5kg份氧化石墨烯，1.5kg纳米碳酸钙，放进500kg的热乙醇中，并进行充分搅拌，纳米碳酸钙被氧化石墨烯吸附包裹，得到复合浆料；
(2)将30kg污泥，10kg高岭土，20kg膨润土，16kg碳酸钙，9kg木屑，8kg氧化铁粉，0.5kg氯化铵，1kg明胶，1kg聚乙烯吡咯烷酮，2kg步骤(1)所制备的复合浆料及7kg石蜡液充分混合、搅拌，调制成泥浆，使用造粒机将泥浆制成泥粒，并晾干成坯；
(3)将步骤(2)制备的泥坯放置在高温烧结炉中，在真空氛围下烧结。烧结过程如下：以每小时75℃的升温速度，将炉温升至580℃时，保温3小时；然后再以每小时90℃的升温速度，将炉温升到1300℃，保温4.5小时；停止加热，以每小时130℃的速度将炉温降至室温，得到纳米孔和微米孔共存的多级次孔状陶粒，石墨烯暴露于孔状结构处；
(4)将制备的陶粒放入0.4M硫酸铝溶液中，在磁力搅拌的同时，缓慢放入氨水并持续搅拌35分钟；然后过滤、冲洗、并在空气炉80℃中干燥；
(5)将制备的材料放在马弗炉中1150℃焙烤1.1小时，然后在炉内自然冷却至室温，得到高效水净化材料。
实施例5
本发明所述的新型高效滤除水净化材料的制备，按以下步骤实施：
(1)将原料2kg份氧化石墨烯，2kg纳米碳酸钙，放进500kg的热乙醇中，并进行充分搅拌，纳米碳酸钙被氧化石墨烯吸附包裹，得到复合浆料；
(2)将25kg污泥，20kg高岭土，30kg膨润土，8kg氢氧化钙，7kg木屑，5kg铁粉，0.5kg氯化铵，1kg明胶，1kg聚乙烯吡咯烷酮，2kg步骤(1)所制备的复合浆料及5kg石蜡液充分混合、搅拌，调制成泥浆，使用造粒机将泥浆制成泥粒，并晾干成坯；
(3)将步骤(2)制备的泥坯放置在高温烧结炉中，在真空氛围下烧结。烧结过程如下：以每小时75℃的升温速度，将炉温升至600℃时，保温2小时；然后再以每小时90℃的升温速度，将炉温升到1250℃，保温5小时；停止加热，以每小时110℃的速度将炉温降至室温，得到纳米孔和微米孔共存的多级次孔状陶粒，石墨烯暴露于孔状结构处；
(4)将制备的陶粒放入0.2M氯化铝溶液中，在磁力搅拌的同时，缓慢放入氨水并持续搅拌50分钟；然后过滤、冲洗、并在空气炉83℃中干燥；
(5)将制备的材料放在马弗炉中1080℃焙烤1.7小时，然后在炉内自然冷却至室温，得到高效水净化材料。
实施例6
(1)将原料2kg份氧化石墨烯，2kg纳米碳酸钙，放进500kg的热乙醇中，并进行充分搅拌，纳米碳酸钙被氧化石墨烯吸附包裹，得到复合浆料；
(2)将35kg污泥，40kg高岭土，10kg氢氧化钙，6kg木屑，6kg氧化铁粉，0.5kg氯化铵，1kg明胶，1kg聚乙烯吡咯烷酮，2kg步骤(1)所制备的复合浆料及3kg石蜡液充分混合、搅拌，调制成泥浆，使用造粒机将泥浆制成泥粒，并晾干成坯；
(3)将步骤(2)制备的泥坯放置在高温烧结炉中，在真空氛围下烧结。烧结过程如下：以每小时85℃的升温速度，将炉温升至590℃时，保温3小时；然后再以每小时90℃的升温速度，将炉温升到1050℃，保温5小时；停止加热，以每小时115℃的速度将炉温降至室温，得到纳米孔和微米孔共存的多级次孔状陶粒，石墨烯暴露于孔状结构处；
(4)将制备的陶粒放入0.25M硝酸铝溶液中，在磁力搅拌的同时，缓慢放入氨水并持续搅拌45分钟；然后过滤、冲洗、并在空气炉87℃中干燥；
(5)将制备的材料放在马弗炉中1020℃焙烤1.9小时，然后在炉内自然冷却至室温，得到高效水净化材料。
为了进一步验证本发明所述水净化材料的理想净化性能，发明人从多角度展开进行水净化效果验证试验，此处基于篇幅所限，仅列举最具代表性的个别。
实验例 重金属离子祛除效果试验
实验采用的水净化材料：
净化材料1.1-1.6：实施例1-6的所制备的净化材料。
净化材料2：与实施例1相比，区别点仅在于，净化材料2中(1)步骤中未添加纳米碳酸钙，其余与实施例1一致。
净化材料3：与实施例1相比，区别点仅在于，净化材料3中(1)步骤中所添加纳米碳酸钙为10kg，其余与实施例1一致。
净化材料4：市场所售商品化某水净化陶粒滤料；
实验方法：取工业污水进行水体进化实验，其中重金属离子的浓度为汞0.1～10mg/L、铅0.5～10mg/L、砷0.3～30mg/L、镉0.01～0.1mg/L、铬0.1～10mg/L。设计如图7所示的净水装置，污水从进水口1进入，通过泵2进入重金属废水处理池3，通过陶粒层4，再通过砾石层5，最终通过排水口6得到净化水。分别将净化材料1-4(共九种材料)填充构成不同的陶粒层。分别测试九种不同材料所构建陶粒层的重金属离子净化能力。
实验结果详见表1。
表1
通过上表可以看出净化材料1对铅、汞、镉、镍、铬等重金属有较高的去除率，能够对水体进行深处理。净化材料2由于石墨烯被淹没在体相中，无法被合理利用，其重金属去除率低于净化材料1；净化材料3由于石墨烯比例偏低，通过石墨烯吸附重金属离子对总去除率的贡献不大，所以其重金属去除率也低于净化材料1。上述去除效果对比实验证明，该材料孔隙率高，比表面积大，吸附能力强，即是在较低的重金属浓度下也能高效去除水中去除铅、汞、锰、镉、镍、铬等多种有害重金属，适合污水的深处理。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细制备流程，但本发明并不局限于上述流程，即不意味着本发明必须依赖上述制备流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种高效水净化材料，其特征在于：按重量份计，由包括如下组分的原料制备而成：60-80份工业污泥和粘土、8-16份氢氧化钙或碳酸钙、6-9份活性炭或木屑、5-8份氧化铁粉或铁粉、0.1～0.5份氯化铵、1～2份明胶、1～2份聚乙烯吡咯烷酮、1-5份复合浆料、1～7份液体石蜡；
其中，所述复合浆料中包括1-3份氧化石墨烯，1-2份纳米碳酸钙，和500份的热乙醇。
2.根据权利要求1所述的高效水净化材料，其特征在于：所述复合浆料中氧化石墨烯和纳米碳酸钙的质量比为1:1。
3.根据权利要求1所述的高效水净化材料，其特征在于：所述工业污泥是污水处理厂的废弃污泥。
4.根据权利要求1或3所述的高效水净化材料，其特征在于：所述粘土为膨润土、活性白土或高岭土中的一种或多种。
5.根据权利要求1、3或4任一项所述的高效水净化材料，其特征在于：所述工业污泥和粘土的重量比介于1：2和2：1之间。
6.根据权利要求1-5任一项所述的高效水净化材料，其特征在于：所述的铝盐为氯化铝、硫酸铝、硝酸铝等的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的高效水净化材料，其特征在于：按重量份计，由包括如下组分的原料制备而成：70-80份工业污泥和粘土、8-12份氢氧化钙、6-9份木屑、5-8份铁粉、0.1～0.5份氯化铵、1～2份明胶、1～2份聚乙烯吡咯烷酮、1-2份复合浆料、1～3份液体石蜡；
其中，所述复合浆料中包括1-3份氧化石墨烯，1-2份纳米碳酸钙，和500份的热乙醇；所述的工业污泥和粘土由质量比为3:5的污泥和膨润土组成。
8.一种高效水净化材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将重量份为1-3份氧化石墨烯，1-2份纳米碳酸钙，放进500份的热乙醇中，并进行充分搅拌，纳米碳酸钙被氧化石墨烯吸附包裹，得到复合浆料；
(2)将重量份为60-80份工业污泥和粘土，6-9份活性炭或木屑，8-16份氢氧化钙或碳酸钙，5-8份氧化铁粉或铁粉，0.1～0.5份氯化铵，1～2份明胶，1～2份聚乙烯吡咯烷酮，1-5份步骤(1)所述复合浆料，1～7份液体石蜡放入用高剪切搅拌机中进行充分混合、搅拌，调制成泥浆，使用造粒机将泥浆制成泥粒，并晾干成坯；
(3)将步骤(1)制备的泥坯放置在高温炉中，在还原气氛或者厌氧条件下烧制，升温速度不得超过每小时90℃，在炉温升至550-600℃时，保温1.5-3小时；然后再以每小时90℃的升温速度，将炉温升到1000-1300℃，保温3-5小时；停止加热，以每小时100-150℃的速度将炉温降至室温，得到纳米孔和微米孔共存的多级次孔状结构陶瓷基体颗粒；
(4)将制备的所述陶瓷基体颗粒放入0.1-0.5M铝盐溶液中，在磁力搅拌的同时，缓慢放入氨水并持续搅拌30-60分钟；然后过滤、冲洗、并在空气炉中干燥；
(5)将制备的材料放在马弗炉中1000-1200℃焙烤1-2小时，然后在炉内自然冷却至室温，即得。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述的还原气氛或厌氧条件可为真空、氩气氛、氮气氛或者氢气份中的任一种；和/或，升温速度为每小时60-90℃。
10.权利要求8或9任一项所述方法所制得的高效水净化材料。
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