CN106881067B - 一种改性类水滑石吸附剂及其应用 - Google Patents

一种改性类水滑石吸附剂及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种改性类水滑石吸附剂及其应用，改性类水滑石吸附剂是用植酸盐或1,5‑萘二磺酸盐改性得到的。该改性类水滑石吸附剂主要用于分离废水溶液中铅离子应用结果表明植酸盐改性的水滑石吸附剂对铅离子的吸附量达到97.87‑100.47mg/g，去除率达到96.18‑99.87％。1,5‑萘二磺酸盐改性的水滑石吸附剂对铅离子的吸附量达到74.66‑79.03mg/g，去除率达到73.73‑78.75％，该吸附剂具有吸附容量大，操作简便，耗时短，成本低廉不宜引入二次污染等特点。

Description

一种改性类水滑石吸附剂及其应用
技术领域：
本发明涉及含重金属离子废水处理技术领域，具体涉及将植酸盐与1,5-萘二磺酸盐插层改性类水滑石，用作分离废水中铅离子的吸附剂。
背景技术：
铅是一种常见有毒金属元素，目前含铅废水主要来源于工业废水、城市垃圾与生活污水的排放。铅致毒浓度低，当人体血铅浓度超过0.3mg/L时，就会出现头晕等症状，长期存在人体中会影响人的骨骼及智力发育，对动植物的生长存在严重危害，且铅离子能够长时间存在于土壤当中不易降解。因此对含有铅离子废水的分离处理是非常重要的。
目前工业上分离废水中铅离子的方法主要包括化学沉淀法、生物降解法、膜分离法以及吸附法等。
[1]文献Environ.Sci.Technol.45(2011)3621-3627中Shubin Yang等人通过利用聚丙烯酰胺改性的碳纳米管吸附水溶液中的铅离子，吸附量大约为37.44mg/g。
[2]文献Chem.Eng.J.171(2011)167-174中Donglin Zhao等人通过未改性的Mg2Al-LDHs吸附铅离子，在室温343K条件下吸附量大约为75.18mg/g。
[3]专利申请200510049688.3公布了一种分离废水中铅的方法，该方法在中性条件下利用电渗析处理废水，后将其流入离子交换柱达到分离目的。但该方法在分离铅时需要消耗大量电力，成本太高。
[4]专利申请201210069633.9公布了一种分离废水中铅的方法，即通过投放石灰提升废水溶液的pH值使铅离子以沉淀的形式进行分离。该方法容易产生严重的结垢且因为石灰的毒性容易造成二次污染。
[5]专利申请第201210339431.1公布了一种分离废水中铅的方法，即将含铅废水溶液多次通入离子交换柱中而达到分离提纯的目的。但此方法操作复杂耗时长且单次去除率低。
上述方法在分离含铅废水过程中都存在实验成本高、条件苛刻、去除率低等缺陷。所以找到一种成本低，去除率高，绿色环保且操作简便的分离材料已经引起了广泛的关注和研究。
层状双金属复合氢氧化物(LDHs)，又被称为层状阴离子粘土或类水滑石，因其具有记忆效应、高比表面积、较好的离子交换能力而受到人们的广泛关注。类水滑石的层间阴离子可以被其他具有较强络合能力的阴离子替换，因此它可以作为高效吸附剂应用于废水中重金属离子去除。
发明内容：
本发明的目的是提供一种改性类水滑石吸附剂，并用于分离废水溶液中铅离子。
本发明所提供的改性类水滑石吸附剂，其化学式是：[Mg2+ 1-xAl3+ x(OH)2]x+(Ph)x/12·mH2O或[Mg2+ 1-xAl3+ x(OH)2]x+(1,5-NDS)x/2·mH2O；其中Ph代表植酸根，其化学式为C6H6O24P6 12-；1,5-NDS代表1,5-萘二磺酸根，其化学式为C10H6O6S2 2-，x代表镁/铝摩尔比，x＝0.25-0.5，m＝4-6。
上述[Mg2+ 1-xAl3+ x(OH)2]x+(Ph)x/12·mH2O吸附剂是用植酸盐改性得到的，称作植酸盐改性水滑石吸附剂。
[Mg2+ 1-xAl3+ x(OH)2]x+(1,5-NDS)x/2·mH2O吸附剂是用1,5-萘二磺酸盐改性类水滑石得到的；称作1,5-萘二磺酸盐改性水滑石吸附剂。
上述改性类水滑石吸附剂的制备方法是：
先制备类水滑石前体，其化学式为[Mg2+ 1-xAl3+ x(OH)2]x+(NO3 -)x·mH2O，其中0.25<x<0.5；
将植酸盐或1,5-萘二磺酸盐配成浓度为0.05M-0.3M的改性溶液，将上述类水滑石按照1.0-2.0g/L的比例加入改性溶液中，于70-80℃恒温条件下在氮气氛中搅拌10-12h，离心干燥得到改性类水滑石吸附剂。
所述的植酸盐为C6H6Na12O24P6或C6H6K12O24P6；所述的1,5-萘二磺酸盐为C10H6Na2O6S2。
图1是改性后与改性前水滑石样品的XRD图，由图可见三种改性后的水滑石的(003)峰向小角度偏移，即类水滑石层板间距扩大，说明插层改性后水滑石层间充满大量能与金属离子产生络合作用的植酸根和1,5-萘二磺酸根，对铅离子的最大吸附容量可达到100.47mg/g，远高于文献[2]中未插层改性水滑石的最大吸附容量。所以该发明有利于分离铅离子。
上述改性类水滑石吸附剂主要用于分离废水溶液中铅离子，具体方法如下：
将改性类水滑石吸附剂按1.0-2.0g/L的比例加入到含铅离子的废水溶液中，磁力搅拌，用稀盐酸溶液调节pH值为3.5-5.5，在25℃～55℃温度下3～5h达到吸附平衡，用0.22μm的过滤头滤出吸附剂并取上层清液。该方法适用于铅离子浓度为10～100mg/L废水溶液。
采用日本岛津公司的ICPs 7500型元素分析仪对上述分离处理后溶液进行定量分析，结果显示：植酸盐改性的水滑石吸附剂对铅离子的吸附量达到97.87-100.47mg/g，去除率达到96.18-99.87％。1,5-萘二磺酸盐改性的水滑石吸附剂对铅离子的吸附量达到74.66-79.03mg/g，去除率达到73.73-78.75％。
与目前现有的含铅废水分离方法相比，例如：化学沉淀法、生物降解法、膜分离法等。本发明具有三个特点：1.操作简单，对操作技能要求不高且不易引入二次污染。2.对铅离子有超高的去除率，高于现有大部分去除率仅为70％左右的吸附材料。3.达到平衡的时间仅为3～5h，与离子交换法、膜分离法等10h以上的平衡时间相比效率更高。
本发明的特点是：首次制备并发现了插层改性水滑石对废水溶液中的铅离子具有较高的去除率且成本低廉不宜引入二次污染，将该吸附剂用于处理含铅离子的水溶液，为处理含铅离子废水的污染问题提供了一类高效的分离材料和较好的去除条件。目前将植酸盐和1,5-萘二磺酸盐插层改性类水滑石作为吸附剂去除废水中铅离子的应用未见文献报道。
附图说明
图1是四种水滑石的XRD谱图，a是实施例1步骤A制备的水滑石的谱图；b是实施例1步骤B制备的吸附剂的谱图；c是实施例2制备的吸附剂的谱图；d是实施例3制备的吸附剂的谱图。
图2是实施例1制备的吸附剂吸附铅离子的动力学曲线图。
图3是实施例2制备的吸附剂吸附铅离子的动力学曲线图。
图4是实施例3制备的吸附剂吸附铅离子的动力学曲线图。
具体实施方式
实施例1
用植酸钠改性水滑石制备[Mg2Al(OH)2](Ph)0.42·4.87H2O
A.称量5.128g硝酸镁和3.751g硝酸铝溶于70mL烧开的去离子水中，并用氨水将溶液的pH维持在10左右，在120℃下晶化10h，水洗离心并在60℃下干燥24h所得样品，即为[Mg2Al(OH)2](NO3)5·5.6H2O。
B.将得到的Mg2Al-NO3-LDH加入100mL溶有植酸钠0.15M的热水溶液中，80℃恒温水浴的条件下在氮气氛中搅拌12h，离心干燥，得到改性水滑石吸附剂，其化学式是[Mg2Al(OH)2](Ph)0.42·4.87H2O。
实施例2
用植酸钾改性水滑石制备[Mg2Al(OH)2](Ph)0.42·4.87H2O
A.称量5.128g硝酸镁和3.751g硝酸铝溶于70mL烧开的去离子水中，并用氨水将溶液的pH维持在10左右，在120℃下晶化10h，水洗离心并在60℃下干燥24h所得样品，即为[Mg2Al(OH)2](NO3)5·5.6H2O。
B.将得到的Mg2Al-NO3-LDH加入100mL溶有植酸钾0.15M的热水溶液中，80℃恒温水浴的条件下在氮气氛中搅拌12h，离心干燥，得到改性水滑石吸附剂，其化学式是[Mg2Al(OH)2](Ph)0.42·4.87H2O。
实施例3
用1,5-萘二磺酸钠改性水滑石制备[Mg3Al(OH)2](1,5-NDS)3.5·5H2O
A.称量7.696g硝酸镁和3.751g硝酸铝溶于70mL烧开的去离子水中，并用氨水将溶液的pH维持在10左右，在120℃下晶化10h，水洗离心并在60℃下干燥24h所得样品，即为[Mg3Al(OH)2](NO3)7·5.6H2O。
B.将得到的Mg2Al-NO3-LDH加入100mL溶有1,5-萘二磺酸钠0.15M的热水溶液中，80℃恒温水浴的条件下在氮气氛中搅拌12h，离心干燥，得到改性水滑石吸附剂，其化学式是[Mg3Al(OH)2](1,5-NDS)3.5·5H2O。
应用例1
量取100mL铅离子浓度为100mg/L的溶液置于锥形瓶中，在25℃下，加入0.1g实施例1制备的植酸钠改性水滑石，磁力搅拌并从1小时开始定时抽取少量反应液，过滤得到上层清液，用ICP测定铅离子剩余含量，测定结果见图2，由图2可以看出在4h时达到吸附平衡，此时平衡吸附量为100.47mg/g。
应用例2
量取100mL铅离子浓度为100mg/L的溶液置于锥形瓶中，在25℃下，加入0.1g实施例2制备的植酸钾改性水滑石，磁力搅拌并从1小时开始定时抽取少量反应液，过滤得到上层清液，用ICP测定铅离子剩余含量，测定结果见图3，由图3可以看出在4h时达到吸附平衡，此时平衡吸附量为98.62mg/g。
应用例3
量取100mL铅离子浓度为100mg/L的溶液置于锥形瓶中，在25℃下，加入0.1g实施例3制备的1,5-萘二磺酸钠改性水滑石，磁力搅拌并从1小时开始定时抽取少量反应液，过滤得到上层清液，用ICP测定铅离子剩余含量，测定结果见图4，由图4可以看出在4h时达到吸附平衡，此时平衡吸附量为79.03mg/g。
与现有文献中去除铅的方法相比，上述实施例均有吸附容量高、反应条件温和、成本低廉且绿色无害等优点。

Claims (2)

1.一种改性类水滑石吸附剂，其化学式是：[Mg2+ 1-xAl3+ x(OH)2]x+(Ph)x/12·mH2O其中Ph代表植酸根，其化学式为C6H6O24P6 12-；x代表镁/铝摩尔比， 0.25<x<0.5，m=4-6；
所述的[Mg2+ 1-xAl3+ x(OH)2]x+(Ph)x/12·mH2O吸附剂是用植酸盐改性得到的，称作植酸盐改性类水滑石吸附剂；
上述改性类水滑石吸附剂的制备方法是：将植酸盐配成浓度为0.05M-0.3M的改性溶液，将类水滑石按照1.0-2.0g/L的比例加入改性溶液中，于70-80℃恒温条件下在氮气氛中搅拌10-12 h，离心干燥得到改性类水滑石吸附剂；
所述的类水滑石的化学式为[Mg2+ 1-xAl3+ x(OH)2]x+(NO3 -)x·mH2O，其中0.25<x<0.5；
所述的植酸盐为C6H6Na12O24P6或C6H6K12O24P6。
2.一种权利要求1所述的改性类水滑石吸附剂的应用，该改性类水滑石吸附剂用于分离废水溶液中铅离子；其具体应用方法是将改性类水滑石吸附剂按1.0-2.0g/L的比例加入到含铅离子的废水溶液中，磁力搅拌，用稀盐酸溶液调节pH值为3.5-5.5，在25℃~55℃温度下3~5h达到吸附平衡，用0.22μm的过滤头滤出吸附剂并取上层清液；所述的含铅离子的废水溶液中铅离子浓度为10~100mg/L。
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