CN107252674A - 一种基于镍铁二元水滑石的除磷剂 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于镍铁二元水滑石的除磷剂。其特征在于：镍铁的比为(1.5‑4):1，其吸附磷酸根的量为(126‑273)mg/g。其制备方法包括以下步骤：(a)制备反应液：将硝酸镍和硝酸铁的混合溶液与碳酸钠和氢氧化钠的混合溶液同时滴加到去离子水中，其中所述的硝酸镍和硝酸铁的混合溶液中镍离子与铁离子的摩尔比为(1.5‑4):1，所述的碳酸钠和氢氧化钠的混合溶液中碳酸根与氢氧根的摩尔比为(1‑4):1；(b)共沉淀反应，上述反应液的滴加速度为(0.5‑20)mL/min，去离子水的pH控制在6‑11。

Description

一种基于镍铁二元水滑石的除磷剂

技术领域

本发明涉及水处理技术领域，具体涉及将镍铁二元水滑石作吸附剂去除废水中的磷酸盐的应用。

背景技术

磷是构成生命体最基本的元素，是支撑人类社会得以发展的主要基础物质之一。而磷在自然界的流动是单向的，磷是一种不可自然再生的资源。根据有关部门统计，全世界已探明的磷储量仅够人类使用不足100年。生活污水和工业废水中含有大量的磷元素，这些磷元素不受节制的排放，不仅会造成严重的生态危机(水体富营养化)，而且浪费了宝贵的磷资源，长久下去甚至会导致“磷危机”。因此，在污、废水排放前有效地除磷和实现磷资源的回收，是控制水体富营养化的重要手段，也是建设“资源节约型、环境友好型”社会的必然要求。

目前常用的除磷方法主要有化学沉淀法、微生物法、吸附法等。化学沉淀法是通过向水体中投加化学药剂形成不溶性磷酸盐沉淀，然后通过固液分离的方式将磷元素从污水中除去。微生物法的主要原理是：聚磷微生物能够在好氧段根据其生理需求吸收磷元素，并将其以聚合磷的形式储存在体内，形成聚磷污泥，实现从污水中除去磷元素。化学沉淀法和微生物法都产生大量无用且易造成二次污染的底泥，目前虽然有办法从这些底泥中回收磷资源，但效费比很低，不利于推广应用。吸附法可以用来处理低污染物含量水体中的溶质污染物，具有高效低耗的优点，同时通过解吸处理还可以多次重复使用吸附剂以及达到磷资源回收的目的。

层状水滑石纳米材料是由带正电荷的主体层板(金属氢氧化物)和层间阴离子通过非共价键的相互作用组装而成的。水滑石的层状结构特点使其层间阴离子可与多种阴离子，包括无机、有机以及配位化合物的阴离子进行交换。目前已有基于水滑石的结构设计合成的除磷剂的报到，但是其吸附效果比较差，一般只有(20-30)mg/mL。

为了克服现有技术中存在的不足，本发明采用一种简便制备方法制备高性能吸附剂，其吸附磷酸盐的能力达到273mg/g，通过相应的解析手段可以实现吸附剂的多次重复利用以及磷资源的有效回收，显示出巨大的应用潜能和较大的经济价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于镍铁二元水滑石(LDH)的高效除磷剂。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

a.制备反应液：将硝酸镍和硝酸铁的混合溶液与碳酸钠和氢氧化钠的混合溶液同时滴加到去离子水中，其中所述的硝酸镍和硝酸铁的混合溶液中镍离子与铁离子的摩尔比为 (1.5-4):1，所述的碳酸钠和氢氧化钠的混合溶液中碳酸根与氢氧根的摩尔比为(1-4):1；

b.共沉淀反应：上述反应液以(0.5-20)mL/min滴加速度，去离子水的pH控制在6-11；

c.离心浓缩上述镍铁二元水滑石悬浮液，然后干燥底部沉淀，得到粉末状的镍铁二元水滑石；

d.吸附反应：按吸附剂与废水中所含磷酸根的质量比为(0.4-5)：1的比例，将该吸附剂加入到废水溶液中，磁力搅拌，在25℃温度下反应3-5h达到吸附平衡，滤出吸附剂，该方法适用于磷酸根的浓度为(1-10)mg/mL的废水水溶液。

优选地，所述在磷酸根的浓度为(1-5)mg/mL的废水中，投加(2-100)mg/L的镍铁比为1.5:1的二元水滑石，吸附剂的最大吸附量达到273mg/g。

本发明通过物理与化学作用相结合的方法，通过调节镍与铁元素的比例，实现最大程度的吸附去除磷酸盐，再通过相应的解析操作，实现磷酸盐的有效回收。

附图说明

图1是实施例1得到的Ni_1.5Fe-LDH吸附5mg/mL磷酸根的动力学曲线图。

图2是实施例2得到的Ni₄Fe-LDH吸附100mg/mL磷酸根的动力学曲线图。

图3是实施例3得到的Ni_1.5Fe-LDH重复吸附-脱吸附操作6次的吸附磷酸根的吸附效率图。

具体实施方式

实施例1

制备Ni_1.5Fe-LDH及磷酸根的吸附性能测试

将34.92g的硝酸镍和32.32g的硝酸铁溶解到200mL的水中，命名为溶液A。将42.4g的碳酸钠和4g的氢氧化钠溶解到200mL的水中，命名为溶液B。将溶液A和溶液B以 0.5mL/min的速度同时滴加到脱二氧化碳的去离子水中，形成反应液，通过调节溶液A和溶液B的滴加速度，将去离子水的pH始终保持在(6±0.3)，滴加完在室温条件下晶化6h，离心干燥，得到粉末状的Ni_1.5Fe-LDH。

将0.8g的Ni_1.5Fe-LDH分散的200mL的脱二氧化碳的去离子水中，混合搅拌均匀，然后加入磷酸根的含量为2g的磷酸二氢钾，混合均匀后，每隔20min开始定时抽取少量反应液，过滤得到上层清液，用电感耦合等离子体光谱仪测磷酸根的剩余含量，通过换算，计算出吸附剂吸附磷酸根的量。测定结果见图1，由图1可以看出在1h时达到吸附平衡，平衡时的吸附量为273mg/g。

实施例2

制备Ni₄Fe-LDH及磷酸根的吸附性能测试

将93.12g的硝酸镍和32.32g的硝酸铁溶解到200mL的水中，命名为溶液A。将10.599g 的碳酸钠和4g的氢氧化钠溶解到200mL的水中，命名为溶液B。将溶液A和溶液B以20mL/min的速度同时滴加到脱二氧化碳的去离子水中，形成反应液，通过调节溶液A和溶液B的滴加速度，将去离子水的pH始终保持在(11±0.3)，滴加完在室温条件下晶化6h，离心干燥，得到粉末状的Ni₄Fe-LDH。

将1g的Ni₄Fe-LDH分散的200mL的脱二氧化碳的去离子水中，混合搅拌均匀，然后加入磷酸根的含量为0.2g的磷酸二氢钾，混合均匀后，每隔1.5h开始定时抽取少量反应液，过滤得到上层清液，用电感耦合等离子体光谱仪测磷酸根的剩余含量，通过换算，计算出吸附剂吸附磷酸根的量。测定结果见图2，由图2可以看出在5h时达到吸附平衡，平衡时的吸附量为126mg/g。

实施例3

在实施列1吸附实验的基础上，将吸附有磷酸根的水滑石浸泡在质量分数为5％的氢氧化钠水溶液中8h(解吸附操作)，然后将水滑石滤出干燥，重复实施例1的吸附实验，再重复解吸附操作。表1是Ni_1.5Fe-LDH每次吸附磷酸根的量，图3是Ni_1.5Fe-LDH的每次的吸附效率，将Ni_1.5Fe-LDH第一次吸附磷酸根的能力定义为100％。由图3可以看出在重复6次后Ni_1.5Fe-LDH的吸附效率仍达到60％。

表1 。

Claims (5)

1.一种基于镍铁二元水滑石的除磷剂，其特征在于：镍铁的比为(1.5-4):1，其吸附磷酸根的量为(126-273)mg/g。

2.根据权利要求1所述的镍铁二元水滑石除磷剂，其特征在于，制备方法包括以下步骤：

a.制备反应液：将硝酸镍和硝酸铁的混合溶液与碳酸钠和氢氧化钠的混合溶液同时滴加到去离子水中，其中所述的硝酸镍和硝酸铁的混合溶液中镍离子与铁离子的摩尔比为(1.5-4):1，所述的碳酸钠和氢氧化钠的混合溶液中碳酸根与氢氧根的摩尔比为(1-4):1；

b.共沉淀反应，上述反应液的滴加速度为(0.5-20)mL/min，去离子水的pH控制在6-11。

3.根据权利要求1所述的镍铁二元水滑石除磷剂，其特征是将其作为吸附剂吸附废水溶液中的磷酸根的具体方法是：按吸附剂与废水中所含磷酸根的质量比为(0.4-5)：1的比例，将该吸附剂加入到废水溶液中，磁力搅拌，在25℃温度下反应(1-5)h达到吸附平衡，滤出吸附剂；该方法适用于磷酸根的浓度为(1-10)mg/mL的废水溶液。

4.根据权利要求1所述的镍铁二元水滑石除磷剂，其中还可以用质量分数为5％的氢氧化钠水溶液洗脱附。

5.根据权利要求4所述的洗脱附方法，吸附剂重复吸附-脱吸附6次，吸附磷酸根的效率仍达到60％。