CN106975437A - 一种过硫酸根插层层状复合金属氢氧化物的制备与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于协同去除水中复合污染的层状复合金属氢氧化物及其制备和应用，该层状复合金属氢氧化物通过将含有Cu2+、Mg2+及Fe3+的溶液与氢氧化钠和碳酸钠混合溶液进行共沉淀反应，经过陈化、分离、干燥、煅烧后，在过硫酸盐溶液中进行结构重建得到过硫酸根插层层状复合金属氢氧化物，该材料可用于吸附水中砷、锑等污染物，在吸附砷、锑等污染物的过程中可释放出过硫酸根，借助层板金属的活化作用产生过硫酸根自由基，氧化水中的有机污染物。与现有技术相比，本发明合成了新颖的过硫酸根插层层状复合金属氢氧化物，该材料可以在吸附水中砷、锑的同时，协同氧化有机污染物，具有制备方便、利用效率高、不需额外投加氧化剂等优点。

Description

一种过硫酸根插层层状复合金属氢氧化物的制备与应用
技术领域
本发明涉及污水处理领域，具体涉及一种过硫酸根插层层状复合金属氢氧化物的制备与应用。
背景技术
饮用水源中的砷污染问题是受到全球关注的环境问题，目前世界上有十几个国家存在大区域的砷污染问题。砷污染问题已经引起人们的普遍重视。锑也是自然界中普遍存在的一种具有潜在毒性和致癌性的元素，砷和锑在水体中经常同时存在，目前，对水中砷、锑的去除方法包括混凝、共沉淀、膜分离、吸附等。吸附法以其经济高效、操作方便等优点在给水处理工程中得到广泛应用。同时，许多国家和地区的地表和地下水环境都受到了有机污染物质的污染，浓度范围为ng·L-1～μg ·L-1，并且随着地理位置和季节而变化。其中药物和个人护理品、内分泌干扰物等正在成为全球范围内人们普遍面临的环境问题。
层状复合金属氢氧化物(LDHs)是由带正电荷的主体层板和层间阴离子通过非共价键的相互作用组装而成的化合物，其结构类似于水镁石Mg(OH)2，化学组成具有如下通式[M2+ 1-xM3+ x(OH)2]x+(An-)x/n·mH2O，其中，M2+和M3+分别为二价和三价阳离子，X为三价金属阳离子与阳离子总量的摩尔比，即M3+/(M2++M3+)。A 为层间的阴离子，n为其电荷数。由于LDHs的层间阴离子可与外界的阴离子进行离子交换，因此在环境领域，可用于水中阴离子污染物的吸附去除。如何将层状复合金属氧化物应用在有机污染物与砷、锑复合污染的同步去除的处理中，是非常值得研究的课题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种兼具吸附重金属、催化氧化有机污染物能力的过硫酸根插层层状复合金属氢氧化物的制备与应用。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种过硫酸根插层层状复合金属氢氧化物，该过硫酸根插层层状复合金属氢氧化物的通式为[Cu2+ 0.15 Mg2+ 0.6Fe3+ 0.25(OH)2]0.25+(S2O8 2-)0.125·mH2O。
一种如上所述过硫酸根插层层状复合金属氢氧化物的制备方法，包括以下几个步骤：
(1)将Cu2+盐、Mg2+盐和Fe3+盐溶于去离子水中，配置成第一溶液；将NaOH 和Na2CO3混合并溶于去离子水中得到第二溶液；将S2O8 2-盐溶于去离子水中，配置成第三溶液；
(2)将第一溶液和第二溶液按Mg2+、Fe3+和Cu2+的物质的量之和与第二溶液中的NaOH的物质的量之比为1：(2～4)进行混合，搅拌得到浆液，陈化后固液分离，并将固体沉淀物清洗至中性，烘干并煅烧，得到煅烧产物；
(3)将煅烧产物加入至第三溶液中，反应后进行固液分离，得到的固体进行清洗及干燥，即得所述过硫酸根插层层状复合金属氢氧化物。
所述的Cu2+盐为铜的硝酸盐或盐酸盐，所述Mg2+盐为镁的硝酸盐或盐酸盐，所述Fe3 +盐为铁的硝酸盐或盐酸盐，所述第一溶液中，Cu2+、Mg2+的总浓度为 300～900mmol·L-1，Cu2 +与Mg2+的物质的量比例为0.25:1，Cu2+、Mg2+总浓度与 Fe3+的浓度比例为3:1。
所述第二溶液中，NaOH浓度为800～4800mmol·L-1，Na2CO3浓度与NaOH 浓度的比例为0.25:1。
所述S2O8 2-盐为K2S2O8或Na2S2O8，所述S2O8 2-盐中S2O8 2-的浓度为50～200 mmol·L-1。
步骤(2)中所述搅拌过程中保持溶液pH为9～11，这样可以使金属离子沉淀完全。
步骤(2)所述陈化的处理温度为60～80℃，陈化时间为18～36h，所述煅烧时间为400～500℃，控制陈化时间和温度为了使前驱体的具有更佳的层状结构， 400～500℃煅烧可以保持前驱体的层板不塌陷并充分去除层间的碳酸根。
步骤(3)所述干燥温度为-20～-10℃，温度过高可能会造成干燥过程中过硫酸根的分解。
一种如上所述过硫酸根插层层状复合金属氢氧化物的应用，所述过硫酸根插层层状复合金属氢氧化物用于吸附去除水中的砷、锑并协同催化氧化降解有机污染物。
所述有机污染物包括溶于水中的药物及个人护理品、内分泌干扰物或持久性有机污染物。
当将层状复合金属氢氧化物用于吸附去除水中的砷、锑并协同氧化降解有机污染物时，将所述的层状复合金属氢氧化物加入到含有砷、锑和有机污染物的水中，使水中的砷、锑吸附在层状复合金属氢氧化物上，由于合成的材料层板间阴离子是过硫酸根离子，具有较好的离子交换能力，因而吸附污染物的能力更强，并且在吸附砷、锑等无机污染物的同时，由于层间置换作用置可释放出过硫酸根。由于层板金属铜的存在，使得该层状复合金属氢氧化物可以催化活化吸附过程中自身释放出的过硫酸根，产生强氧化性的硫酸根自由基，进而氧化氧化水中的有机污染物。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在以下几方面：
(1)对砷、锑元素的处理灵敏度高；
(2)能有效除去砷、锑元素及各类有机物形成的复合污染，适用范围广；
(3)本发明的过硫酸根插层层状复合金属氢氧化物制备简单，成本低。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
一种用于协同去除水中复合污染的过硫酸根插层层状复合金属氢氧化物，其制备方法包括以下步骤：
(1)配制100ml的第一溶液，含有60mmol·L-1的Cu2+、240mmol·L-1的Mg2+及100mmol·L-1的Fe3+，另配制100ml的第二溶液，含有800mmol·L-1的NaOH 和200mmol·L-1的Na2CO3，另配制100mmol·L-1的过硫酸钾溶液。
(2)将上述配置好的第一溶液和第二溶液同时滴加到含有100ml的去离子水的烧杯中，滴加过程中进行剧烈搅拌，同时控制反应过程的pH值保持在10，将反应得到的浆液在60℃下陈化36小时，然后进行固液分离，将得到的固体沉淀物用去离子水清洗至上清液呈中性，然后在80℃下烘干，并在400℃下煅烧，得到的煅烧产物加入到过硫酸钾溶液中进行反应。
(3)反应后离心分离，并用去离子水冲洗沉淀物，在-10℃下干燥，即得过硫酸根插层层状复合金属氢氧化物。
将制备得到的层状复合金属氢氧化物用于水中砷的去除，含1.0mg·L-1五价砷的水样，经材料吸附处理后砷的浓度小于0.01mg·L-1，低于国家饮用水标准限值。
实施例2
一种用于协同去除水中复合污染的过硫酸根插层层状复合金属氢氧化物，其制备方法包括以下步骤：
(1)配制100ml的第一溶液，含有120mmol·L-1的Cu2+、480mmol·L-1的 Mg2+及600mmol·L-1的Fe3+，另配制100ml的第二溶液，含有1600mmol·L-1的 NaOH和400mmol·L-1的Na2CO3，另配制100mmol·L-1的过硫酸钾溶液。
(2)将上述配置好的第一溶液和第二溶液同时滴加到含有100ml的去离子水的烧杯中，滴加过程中进行剧烈搅拌，同时控制反应过程的pH值保持在9左右，将反应得到的浆液在80℃下陈化18小时，然后进行固液分离，将得到的固体沉淀物用去离子水清洗至上清液呈中性，然后在80℃下烘干，并在500℃下煅烧，得到的煅烧产物加入到过硫酸钾溶液中进行反应。
(3)反应后离心分离，并用去离子水冲洗沉淀物，在-20℃下干燥，即得过硫酸根插层层状复合金属氢氧化物。
将制备得到的层状复合金属氢氧化物用于水中砷的去除，含0.5mg·L-1五价砷和0.5mg·L-1三价砷的水样，经材料吸附处理后总砷的浓度小于0.01mg·L-1，低于国家饮用水标准限值。
实施例3
一种用于协同去除水中复合污染的过硫酸根插层层状复合金属氢氧化物，其制备方法包括以下步骤：
(1)配制100ml的第一溶液，含有180mmol·L-1的Cu2+、720mmol·L-1的 Mg2+及300mmol·L-1的Fe3+，另配制100ml的第二溶液，含有4800mmol·L-1的 NaOH和1200mmol·L-1的Na2CO3，另配制100mmol·L-1的过硫酸钾溶液。
(2)将上述配置好的第一溶液和第二溶液同时滴加到含有100ml的去离子水的烧杯中，滴加过程中进行剧烈搅拌，同时控制反应过程的pH值保持在11，将反应得到的浆液在70℃下陈化24小时，然后进行固液分离，将得到的固体沉淀物用去离子水清洗至上清液呈中性，然后在80℃下烘干，并在450℃下煅烧，得到的煅烧产物加入到过硫酸钾溶液中进行反应。
(3)反应后离心分离，并用去离子水冲洗沉淀物，在-10℃下干燥，即得过硫酸根插层层状复合金属氢氧化物。
将制备得到的层状复合金属氢氧化物用于含砷、锑水的净化，含0.5mg·L-1五价砷和0.5mg·L-1五价锑的水样，经材料吸附处理后总砷的浓度小于0.01mg·L-1，锑浓度小于0.005mg·L-1低于国家饮用水标准限值。
实施例4
一种用于协同去除水中复合污染的过硫酸根插层层状复合金属氢氧化物，其制备方法包括以下步骤：
(1)配制100ml的第一溶液，含有90mmol·L-1的Cu2+、360mmol·L-1的Mg2+及150mmol·L-1的Fe3+，另配制100ml的第二溶液，含有1200mmol·L-1的NaOH 和300mmol·L-1的Na2CO3，另配制100mmol·L-1的过硫酸钾溶液。
(2)将上述配置好的第一溶液和第二溶液同时滴加到含有100ml的去离子水的烧杯中，滴加过程中进行剧烈搅拌，同时控制反应过程的pH值保持在9左右，将反应得到的浆液在70℃下陈化30小时，然后进行固液分离，将得到的固体沉淀物用去离子水清洗至上清液呈中性，然后在80℃下烘干，并在450℃下煅烧，得到的煅烧产物加入到过硫酸钾溶液中进行反应。
(3)反应后离心分离，并用去离子水冲洗沉淀物，在-10℃下干燥，即得过硫酸根插层层状复合金属氢氧化物。
将制备得到的层状复合金属氢氧化物用于含砷及微量有机污染物水的净化，含1.0mg·L-1五价砷和微量有机污染物的水样，经材料吸附处理后总砷的浓度小于 0.01mg·L-1，低于国家饮用水标准限值，水中微量的有机污染物可以被协同氧化去除。
实施例5
一种用于协同去除水中复合污染的过硫酸根插层层状复合金属氢氧化物，其制备方法包括以下步骤：
(1)配制100ml的第一溶液，含有60mmol·L-1的Cu2+、240mmol·L-1的Mg2+及100mmol·L-1的Fe3+，另配制100ml的第二溶液，含有800mmol·L-1的NaOH 和200mmol·L-1的Na2CO3，另配制50mmol·L-1的过硫酸钾溶液。
(2)将上述配置好的第一溶液和第二溶液同时滴加到含有100ml的去离子水的烧杯中，滴加过程中进行剧烈搅拌，同时控制反应过程的pH值保持在10，将反应得到的浆液在80℃下陈化20小时，然后进行固液分离，将得到的固体沉淀物用去离子水清洗至上清液呈中性，然后在80℃下烘干，并在450℃下煅烧，得到的煅烧产物加入到过硫酸钾溶液中进行反应。
(3)反应后离心分离，并用去离子水冲洗沉淀物，在-20℃下干燥，即得过硫酸根插层层状复合金属氢氧化物。
将制备得到的层状复合金属氢氧化物用于含砷、锑及微量有机污染物水的净化，含0.5mg·L-1五价砷和0.5mg·L-1五价锑，及微量有机污染物的水样，经材料吸附处理后总砷的浓度小于0.01mg·L-1，锑浓度小于0.005mg·L-1低于国家饮用水标准限值，同时水中微量的有机污染物可以被协同氧化去除。
实施例6
一种用于协同去除水中复合污染的过硫酸根插层层状复合金属氢氧化物，其制备方法包括以下步骤：
(1)配制100ml的第一溶液，含有120mmol·L-1的Cu2+、480mmol·L-1的 Mg2+及200mmol·L-1的Fe3+，另配制100ml的第二溶液，含有1600mmol·L-1的 NaOH和400mmol·L-1的Na2CO3，另配制200mmol·L-1的过硫酸钾溶液。
(2)将上述配置好的第一溶液和第二溶液同时滴加到含有100ml的去离子水的烧杯中，滴加过程中进行剧烈搅拌，同时控制反应过程的pH值保持在9左右，将反应得到的浆液在60℃下陈化30小时，然后进行固液分离，将得到的固体沉淀物用去离子水清洗至上清液呈中性，然后在80℃下烘干，并在450℃下煅烧，得到的煅烧产物加入到过硫酸钾溶液中进行反应。
(3)反应后离心分离，并用去离子水冲洗沉淀物，在-10℃下干燥，即得过硫酸根插层层状复合金属氢氧化物。
将制备得到的层状复合金属氢氧化物用于含砷及微量有机污染物水的净化，含1.0mg·L-1五价砷和微量有机污染物的水样，经材料吸附处理后总砷的浓度小于 0.01mg·L-1，低于国家饮用水标准限值，水中微量的有机污染物可以被协同氧化去除。

Claims (9)

1.一种过硫酸根插层层状复合金属氢氧化物的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下几个步骤：
(1)将Cu2+盐、Mg2+盐和Fe3+盐溶于去离子水中，配置成第一溶液；将NaOH和Na2CO3混合并溶于去离子水中得到第二溶液；将S2O8 2-盐溶于去离子水中，配置成第三溶液；
(2)将第一溶液和第二溶液按Mg2+、Fe3+和Cu2+的物质的量之和与第二溶液中的NaOH的物质的量之比为1：(2～4)进行混合，搅拌得到浆液，陈化后固液分离，并将固体沉淀物清洗至中性，烘干并煅烧，得到煅烧产物；
(3)将煅烧产物加入至第三溶液中，反应后进行固液分离，得到的固体进行清洗及干燥，即得所述过硫酸根插层层状复合金属氢氧化物。
2.根据权利要求1所述的一种过硫酸根插层层状复合金属氢氧化物的制备方法，其特征在于，所述的Cu2+盐为铜的硝酸盐或盐酸盐，所述Mg2+盐为镁的硝酸盐或盐酸盐，所述Fe3+盐为铁的硝酸盐或盐酸盐，所述第一溶液中，Cu2+、Mg2+的总浓度为300～900mmol·L-1，Cu2+与Mg2+的物质的量比例为0.25:1，Cu2+、Mg2+总浓度与Fe3+的浓度比例为3:1。
3.根据权利要求1所述的一种过硫酸根插层层状复合金属氢氧化物的制备方法，其特征在于，所述第二溶液中，NaOH浓度为800～4800mmol·L-1，Na2CO3浓度与NaOH浓度的比例为0.25:1。
4.根据权利要求1所述的一种过硫酸根插层层状复合金属氢氧化物的制备方法，其特征在于，所述S2O8 2-盐为K2S2O8或Na2S2O8，所述S2O8 2-盐中S2O8 2-的浓度为50～200mmol·L-1。
5.根据权利要求1所述的一种过硫酸根插层层状复合金属氢氧化物的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述搅拌过程中保持溶液pH为9～11。
6.根据权利要求1所述的一种过硫酸根插层层状复合金属氢氧化物的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述陈化的处理温度为60～80℃，陈化时间为18～36h，所述煅烧时间为400～500℃。
7.根据权利要求1所述的一种过硫酸根插层层状复合金属氢氧化物的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述干燥温度为-20～-10℃。
8.一种采用如权利要求1～7任一所述方法制得的过硫酸根插层层状复合金属氢氧化物的应用，其特征在于，所述过硫酸根插层层状复合金属氢氧化物用于吸附去除水中的砷、锑并协同催化氧化降解有机污染物。
9.根据权利要求8所述的一种过硫酸根插层层状复合金属氢氧化物的应用，其特征在于，所述有机污染物包括溶于水中的药物及个人护理品、内分泌干扰物或持久性有机污染物。
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