CN106362678A - 一种基于固体废弃物煤渣的水体钼酸盐吸附剂的制备方法 - Google Patents

一种基于固体废弃物煤渣的水体钼酸盐吸附剂的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于固体废弃物煤渣的水体钼酸盐吸附剂的制备方法，属于水体污染物吸附材料领域。该制备方法具体包括以下步骤：(1)将煤渣进行磨碎、漂洗，并自然干燥；(2)粒径筛选后将得到的固体进行改性，分别进行硫酸、氯化镧，及十六烷基三甲基溴化铵改性；(3)用去离子水洗净、烘干即得到La‑CTMAB改性煤渣吸附材料。钼酸盐浓度为5mg/L的地表污水经本发明吸附材料处理后，水体钼酸盐含量达到地下水质量标准(GB/T 14848‑9)IV类(≤0.5mg/L)。本发明具有成本低，吸附效率高，应用广泛等特点，不仅实现了废弃物的资源化利用，同时也带来了良好的社会效益和经济效益。

Description

一种基于固体废弃物煤渣的水体钼酸盐吸附剂的制备方法
技术领域
本发明属于水体污染物吸附材料领域，具体涉及到一种钼酸盐污水处理吸附材料的制备，特别涉及到一种基于固体废弃物的复合吸附材料及其制备方法。
背景技术
钼是动植物生存所必需的微量元素之一，同时也是国民经济发展中重要的战略资源。重金属钼的化学形态具有易变性，在自然界中通常以两种氧化物形态存在，一种是四价态钼，一种是六价态钼。在酸性环境中，钼酸盐易被浓缩固定，而在碱性和氧化环境下，钼酸盐会重新释放到环境中。由于钼矿开采技术相对落后，碱性钼尾矿管理力度不够，导致部分地区水体钼污染相对严重。钼超标不仅对人体会产生严重的危害，如产生头痛、痛风综合症、动脉硬化等症状，而且对动植物也具有明显的毒害作用。为此，我国对地下水和生活饮用水中的钼浓度分别做了严格要求，地下水IV类钼浓度≤0.5mg/L，饮用水钼浓度<0.07mg/L。而如何高效、低成本的去除水中的钼酸盐，解决钼尾矿排水导致的周边地区地表水重金属钼污染，已成为当前水环境污染防治重点研究方向之一。
当前对钼酸盐污水的去除方法主要有化学沉淀、离子交换、膜过滤，及吸附四种类型。化学沉淀法易产生二次污染，离子交换和膜过滤通常需要很高的运行维护成本，且后期操作难度较大。因此，采用吸附法去除污水中的钼酸盐具有十分广阔的应用前景。通常用作吸附剂的无机、有机材料往往难以达到环境友好的要求。如无机吸附材料中的陶粒载体，在制备过程中会需要大量粘土，不仅与当前紧张的生产用地发生冲突，同时烧结制备过程也会消耗大量能源；而有机吸附材料通常来自于石油衍生品，是不可再生资源。
在吸附材料研究技术中，已存在利用煤渣制备吸附材料的一些技术，但主要应用于气体吸附剂方面。如，中国专利申请号201410358609.6，申请公布日2014年10月01日。该专利公开了一份名称为“一种对改性煤渣表面修饰的甲醛吸附剂”的专利文件；中国专利申请号201410358632.5，申请公布日2014年7月26日。该专利公开了一份名称为“一种高效吸附氨气的改性燃煤渣及其制备方法”的专利文件。将煤渣改性作为重金属吸附剂的技术也有相关专利，如中国专利申请号201510452239.7，申请公布日2015年11月18日。该专利公开了一份名称为“一种基于废弃物的重金属离子吸附剂的制备方法”的专利文件。该吸附剂制备是向城市污水处理厂活性污泥中配入烟草秸秆废弃物，经加热炭化得到高温炭化固体产物；再向煤渣中配入烟草秸秆废弃物，加入酸洗废水后，配置成混合浆液；将高温炭化固体产物出炉后直接加入到混合浆液中，然后在搅拌同时微波处理；再依次经过冷却、干燥、粉碎即可得到。该吸附材料制备工艺复杂，且主要针对电镀污水方面的重金属阳离子，并不适用于呈阴离子态钼酸盐的吸附。
在钼酸盐吸附研究技术中，也存在相关方面的专利。如，中国专利申请号201310291466.7，申请公布日2015年01月14日，公开的一份名称为“一种除去水中六价钼的方法”的专利文件；中国专利申请号：201210212913.0，申请公布日2012年10月03日，公开了一份名称为“一种钼酸铵生成过程中产生的含钼酸性废水的处理方法”的专利申请文件，以及中国专利号：200710179661.5，授权公告日2011年09月21日，公开的名称为“一种含钼酸性废水的处理方法”。然而上述技术的处理和运行成本较高，操作过程复杂。
发明内容
针对现有去除水体钼酸盐的技术中存在的运行成本高，操作困难，易引起二次污染的不足，本发明提供了一种基于固体废弃物煤渣的水体钼酸盐吸附剂的制备方法，以期既实现制备过程简便、运行成本低的目的，提高了对钼酸盐的吸附能力，同时也为废弃物资源化利用提供了有效途径。
为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。
本发明一种基于固体废弃物煤渣的水体钼酸盐吸附剂的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)将煤渣放入清水中冲刷2d，之后进行磨碎、漂洗，自然干燥，筛选得到粒径0.15mm以下的煤渣；
(2)将2.0-4.0mol/L的H2SO4溶液加入到上述煤渣，振荡8-10h，振速为200r/min，之后用水洗涤至不含有SO4 2-，风干备用；
(3)将步骤(2)得到的固体放入到500mL的锥形瓶，并加入0.01-0.03mol/L的LaCl3·6H2O溶液200mL，将锥形瓶密封后置于30-35℃恒温振荡器中，以150-200r/min的速度振荡2-4h，过滤并收集得到固体材料；
(4)将步骤(3)得到的固体材料加入到0.02-0.04mol/L的CTMAB溶液中，在25-45℃水浴中振荡12-15h，过滤后用去离子水洗涤至中性，并将该固体材料置于80-100℃的烘箱中烘干，得到La-CTMAB改性煤渣吸附材料，即为：水体钼酸盐吸附剂。
本发明所述的基于固体废弃，物的吸附材料为煤渣经过酸化，负载金属镧及接枝了官能团而得到。本发明利用所述的煤渣本身为多孔性固体，比表面积较大，对其进行改性后对水体钼酸盐进行吸附，具体原理推测如下：
当pH值2.0-7.0时，La-CTMAB改性煤渣中氢氧化镧表面的基团主要以La-OH2 +和La-OH形式存在，总体上氢氧化镧表面带正电荷；而当pH值7.0-11.0时，La-CTMAB改性煤渣中氢氧化镧表面的基团主要以La-OH和La-O-形式存在，总体上氢氧化镧表面带负电荷。同时，经CTMAB改性后，CTMAB本身所带的铵基端头与煤渣本身的Ca2+、Mg2+等发生离子交换，从而引入阳离子表面活性剂的碳长链分子，该长链存在较多的疏水活性位点，能够更好的将镧颗粒吸附于表面。
钼酸盐在水体中的存在形态十分复杂，极易受到pH的影响。当pH为2.0-4.6时，钼酸根离子的存在形态主要有Mo7O21(OH)3 3-、Mo7O22(OH)2 4-、Mo7O23(OH)5-、Mo7O24 6-。反应体系经稀硫酸调酸后，La-CTMAB改性煤渣对钼酸盐有较强的络合作用(如式1所示)，同时钼酸根阴离子与带有正电荷的La-OH2 +在溶液中会发生静电吸引(如式2所示)，促进了La-CTMAB改性煤渣对钼酸根离子的综合吸附能力，从而实现去除水体钼酸盐的目的。
S-La-OH+MoxOy z-→S-La-MoxOy z-+OH- (1)
S-La-OH2 ++MoxOy z-→S-La-OH2 +-MoxOy z- (2)
其中，S为吸附材料表面，MoxOy z-为多形态钼酸根离子。
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明制备的La-CTMAB改性煤渣具有一定孔隙结构和表面化学特性，对水体钼酸盐吸附率高(Mo浓度为5.0mg/L时，去除率高达90％以上)。钼酸盐浓度为5mg/L的地表污水经本发明吸附材料处理后，水体钼酸盐含量达到地下水质量标准(GB/T 14848-9)IV类(≤0.5mg/L)。
(2)本发明采用的废弃物固体为煤渣，该吸附原料为煤行业中的常见固体废物，来源广泛，价格低廉。同时，煤渣本身具备一定的机械强度，从而扩大了其作为吸附材料的应用范围；
(3)吸附饱和的材料经反冲洗后可重复作为钼吸附材料，而洗脱的钼经回收处理后可进一步利用。本发明不仅实现了废弃物的资源化利用，同时也带来了良好的社会效益和经济效益。
附图说明
图1为本发明的制备流程示意图。
图2为本发明实施例1中La-CTMAB改性煤渣吸附前的扫描电镜图；
由该图可见，吸附前的表面结构更为松散，且有较多空隙，主要是由于镧离子和CTMAB插入原材料层间导致。
图3为本发明实施例1中La-CTMAB改性煤渣吸附钼酸根离子后的扫描电镜图；
由该图可见，相对于吸附前的材料表面，吸附钼酸根离子后材料表面较为密实。
图4为溶液pH对本发明实施例1制备的吸附材料去除钼酸根离子的影响规律曲线图(实验条件为：所试Mo浓度为5mg/L；吸附温度为25℃；吸附材料为0.1g，钼溶液50mL)；
由该图可见，吸附过程受环境酸碱条件影响较大，在酸性条件下吸附效率更高。
图5为本发明实施例1中La-CTMAB改性煤渣对钼酸根离子的吸附等温线(实验条件为：吸附温度为25℃；溶液体系pH为3.0；吸附材料为0.1g，钼溶液50mL)；
由该图可知，随着钼平衡浓度的增加，材料吸附量逐渐增加并趋于恒定。
具体实施方式
结合附图对本发明进一步详细说明，但不作为对本发明的限定。
实施例1
将煤渣放入清水中冲刷2d，之后进行磨碎、漂洗，自然干燥，筛选得到粒径0.15mm以下的煤渣20g。将2.0mol/L的H2SO4溶液50mL加入到上述煤渣中，振荡10h，振速为200r/min，之后用水洗涤至不含有SO4 2-，风干备用；取上述固体10g放入到500mL的锥形瓶，并加入0.01mol/L的LaCl3·6H2O溶液200mL，将锥形瓶密封后置于35℃恒温振荡器中，以200r/min的速度振荡2h，过滤并收集得到固体材料；将该固体材料加入到0.02mol/L的CTMAB溶液200mL中，在25℃水浴中振荡13h，过滤后用去离子水洗涤至中性，并将该固体材料置于100℃的烘箱中烘干，即为La-CTMAB改性煤渣1。
实施例2
将煤渣放入清水中冲刷2d，之后进行磨碎、漂洗，自然干燥，筛选得到粒径0.15mm以下的煤渣20g。将4.0mol/L的H2SO4溶液50mL加入到上述煤渣，振荡8h，振速为200r/min，之后用水洗涤至不含有SO4 2-，风干备用；取上述固体10g放入到500mL的锥形瓶，并加入0.01mol/L的LaCl3·6H2O溶液200mL，将锥形瓶密封后置于35℃恒温振荡器中，以200r/min的速度振荡2h，过滤并收集得到固体材料；将该固体材料加入到0.03mol/L的CTMAB溶液200mL中，在30℃水浴中振荡12h，过滤后用去离子水洗涤至中性，并将该固体材料置于100℃的烘箱中烘干，即为La-CTMAB改性煤渣2。
实施例3
将煤渣放入清水中冲刷2d，之后进行磨碎、漂洗，自然干燥，筛选得到粒径0.15mm以下的煤渣20g。将4.0mol/L的H2SO4溶液50mL加入到上述煤渣中，振荡8h，振速为200r/min，之后用水洗涤至不含有SO4 2-，风干备用；将得到的固体放入到500mL的锥形瓶，并加入0.03mol/L的LaCl3·6H2O溶液200mL，将锥形瓶密封后置于35℃恒温振荡器中，以200r/min的速度振荡2h，过滤并收集得到固体材料；将该固体材料加入到0.04mol/L的CTMAB溶液200mL中，在45℃水浴中振荡15h，过滤后用去离子水洗涤至中性，并将该固体材料置于100℃的烘箱中烘干，即为La-CTMAB改性煤渣3。
实施例4
同实施例3，所不同的是2.0mol/L的H2SO4溶液加入到上述煤渣，振荡10h。
实施例5
同实施例3，所不同的是锥形瓶密封后置于30℃恒温振荡器中，以200r/min的速度振荡4h。
对比例
将煤渣放入清水中冲刷2d，之后进行磨碎、漂洗，自然干燥，筛选得到粒径0.15mm以下的煤渣，将其直接作为钼吸附材料。
对上述实施例1-5及对比例中制备得到的煤渣吸附材料分别进行除钼吸附测试，实验用水采用钼酸钠(Na2MoO4)自配钼污水，其Mo(VI)浓度均为5.0mg/L。吸附材料0.1g，钼酸盐溶液50mL，吸附时间为10h，稀硫酸调节溶液pH为3.0，水温为25℃，振荡速度为150r/min。
测试数据表明，本发明实施例1-5中得到的吸附材料对污水中的钼酸盐具有十分显著的去除效率(如表1所示)。在钼酸盐浓度为5.0mg/L时，吸附材料1-5对钼的去除率明显高于对比吸附材料的去除率。
表1不同实施例除钼实验结果
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5 对比例
Mo平衡浓度(mg/L) 0.33 0.29 0.16 0.25 0.18 1.82
去除率(％) 93.40 94.20 96.80 95.00 96.40 63.60

Claims (1)

1.一种基于固体废弃物煤渣的水体钼酸盐吸附剂的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)将煤渣放入清水中冲刷2d，之后进行磨碎、漂洗，自然干燥，筛选得到粒径0.15mm以下的煤渣；
(2)将2.0-4.0mol/L的H2SO4溶液加入到上述煤渣，振荡8-10h，振速为200r/min，之后用水洗涤至不再含有SO4 2-，风干备用；
(3)将步骤(2)得到的固体放入到锥形瓶中，并加入0.01-0.03mol/L的LaCl3·6H2O溶液，将锥形瓶密封后置于30-35℃恒温振荡器中，以150-200r/min的速度振荡2-4h，过滤并收集得到固体材料；
(4)将步骤(3)得到的固体材料加入到0.02-0.04mol/L的CTMAB溶液中，在25-45℃水浴中振荡12-15h，过滤后用去离子水洗涤至中性，并将该固体材料置于80-100℃的烘箱中烘干，得到La-CTMAB改性煤渣吸附材料。
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