CN107973365A - 一种用于处理含染料废水的吸附剂、其制备方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于处理含染料废水的吸附剂，其制备原料包括以下组分：半焦30‑50份、水镁石纤维10‑20份、三氯化铁3‑5份、聚乙烯醇3‑5份、壳聚糖2‑3份。本发明还提供了一种用于处理含染料废水的吸附剂的制备方法及其应用。本发明通过碱改性、酸改性以及交联反应将水镁石纤维与三氯化铁掺杂到半焦微孔中，制备出用于处理含染料废水的吸附剂，该吸附剂具有价格低廉、来源丰富、对环境友好、不造成二次污染的特点，并且，该吸附剂的吸附性能优于单独的半焦、水镁石纤维和三氯化铁。此外，本发明还充分利用了废弃的半焦资源，对环境保护具有重要的意义，同时为半焦的高值化利用开辟了新的途径。

Description

一种用于处理含染料废水的吸附剂、其制备方法及其应用
技术领域
本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种用于处理含染料废水的吸附剂、其制备方法及其应用。
背景技术
我国是纺织印染业的第一大国，而染料废水也是工业废水的重要组成部分。近年来，染料废水污染引发的环境问题日益突出。多数染料带有复杂的芳环结构，且具有一定的毒性和生物积聚性，在自然条件下很难降解。此外，染料废水色度深、成分复杂、有机物含量大，如不经过处理会给环境带来严重污染。
目前常用的染料废水处理方法主要有化学氧化法、絮凝沉淀法、离子交换法、超滤膜过滤法以及生物降解法等，但这些方法因成本高、污泥量大、效率低等原因难以得到广泛应用，因此寻找一种高效、节能、绿色环保的染料废水处理方法是目前国内外染料废水处理领域研究的热点。
吸附法由于操作简单、不引入新的污染物、去除效率高以及可重复利用，能实现废物的资源化而受到广泛的重视。因此，选择价格低廉、吸附效果强的吸附材料用于含染料废水的处理是一项很有意义的工作。
发明内容
本发明提供了一种用于处理含染料废水的吸附剂，解决了现有技术中采用化学氧化法、絮凝沉淀法、离子交换法、活性炭吸附法以及生物降解法等处理染料废水因成本高、污泥量大、效率低以及使用后需再生等原因难以得到广泛应用的问题。
本发明的第一个目的是提供一种用于处理含染料废水的吸附剂，其制备原料包括以下组分：半焦30-50份、水镁石纤维10-20份、三氯化铁3-5份、聚乙烯醇3-5份、壳聚糖2-3份。
优选的，所述用于处理含染料废水的吸附剂的制备原料包括以下组分：半焦40份、水镁石纤维15份、三氯化铁4份、聚乙烯醇4份、壳聚糖3份。
本发明的第二个目的是提供一种用于处理含染料废水的吸附剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，按重量份称取半焦30-50份、水镁石纤维10-20份、三氯化铁3-5份、聚乙烯醇3-5份、壳聚糖2-3份，备用；
步骤2，将步骤1中称取的半焦和水镁石纤维分别粉碎、过筛后混合，得到混合原料粉；
步骤3，将步骤2中得到的混合原料粉与质量浓度为10％的氢氧化钠溶液按照1：8-10的质量比加入到反应容器中，然后在40-60℃下加热1-2h，加热完毕后得到活化原料粉，活化原料粉用水反复冲洗至pH为7后干燥，干燥完毕后得到碱处理原料粉；
步骤4，将步骤1中称取的三氯化铁配制成浓度为50-75g/L的三氯化铁溶液，再往三氯化铁溶液中加入步骤3中的碱处理原料粉，然后在搅拌条件下往其中滴加质量浓度为15％的单宁酸水溶液，调节体系pH值为3-5，滴加完毕后将其加热并持续沸腾5-15min，加热完毕后自然冷却至室温，然后用水洗至中性，干燥，得到酸处理原料粉；
步骤5，将酸处理原料粉在N2保护下于500-600℃保温1h，保温完毕得到高温处理原料粉；
步骤6，将步骤1中称取的聚乙烯醇与去离子水按照1：15的质量比混合，然后在80-90℃下搅拌至溶解，得到聚乙烯醇溶液；将步骤5的高温处理原料粉加入到所述聚乙烯醇溶液中，同时加入步骤1中称取的壳聚糖，搅拌均匀，得到吸附剂前驱体；
步骤7，将步骤6中吸附剂前驱体在常温下滴加到饱和硼酸溶液中进行固定化交联，滴加完毕后静置1-2h，得到固化物，将固化物洗净、烘干，即得到所述用于处理含染料废水的吸附剂。
优选的，所述步骤2中半焦和水镁石纤维分别粉碎后过40目筛。
优选的，所述步骤3和步骤4中干燥条件均为60-80℃下干燥2-4h。
优选的，所述步骤4中搅拌速度为200-250r/min。
本发明的第三个目的是提供一种用于处理含染料废水的吸附剂在染料废水处理中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本法中所用的半焦具有较高的比表面积和丰富的孔隙结构，通过将水镁石纤维和半焦混合在一起进行酸改性、碱改性，提高半焦空隙与水镁石纤维之间的结合力，使水镁石纤维牢固的镶嵌在活性半焦孔隙内；然后再将镶嵌有水镁石纤维的活性半焦高温煅烧，使水镁石纤维分解失去结晶水，从而在活性半焦内形成数量众多的微孔和活性点位，三氯化铁能够负载在众多的活性位点上，从而将半焦、氧化镁、三氯化铁三者的优点结合起来，进而提高其吸附性能。在高温煅烧后，高温煅烧产物再进行交联反应，进一步增加了吸附剂的吸附容量，使其吸附性能更为优越。
本发明通过碱改性、酸改性以及交联反应将水镁石纤维与三氯化铁掺杂到半焦微孔中，制备出用于处理含染料废水的吸附剂，该吸附剂具有价格低廉、来源丰富、对环境友好、不造成二次污染的特点。并且，本发明所提供的用于含染料废水吸附剂对于染料的吸附性能优于单独的半焦、水镁石纤维和三氯化铁。此外，本发明充分利用废弃的半焦资源，对环境保护具有重要的意义，同时为半焦的高值化利用开辟了新的途径。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但所举实施例不作为对本发明的限定。
本发明各实施例中所述试验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所用原料如无特殊说明，均为常规试剂。
实施例1
一种用于处理含染料废水的吸附剂，其制备原料包括以下组分：半焦40份、水镁石纤维15份、三氯化铁4份、聚乙烯醇4份、壳聚糖3份。
具体制备方法如下：
步骤1，按重量份称取半焦40份、水镁石纤维15份、三氯化铁4份、聚乙烯醇4份、壳聚糖3份，备用；
步骤2，将步骤1中称取的半焦和水镁石纤维分别粉碎、过40目筛后混合，得到混合原料粉；
步骤3，将步骤2中得到的混合原料粉与质量浓度为10％的氢氧化钠溶液按照1：9的质量比加入到反应容器中，然后在50℃下加热1.5h，加热完毕后得到活化原料粉，活化原料粉用水反复冲洗至pH为7后于60℃下干燥4h，干燥完毕后得到碱处理原料粉；
步骤4，将步骤1中称取的三氯化铁配制成浓度为50g/L的三氯化铁溶液，再往三氯化铁溶液中加入步骤3中的碱处理原料粉，然后在200r/min的搅拌速度下往其中滴加质量浓度为15％的单宁酸水溶液，调节体系pH值为5，滴加完毕后将其加热并持续沸腾10min，加热完毕后自然冷却至室温，然后用水洗至中性，于60℃下干燥4h，干燥完毕得到酸处理原料粉；
步骤5，将酸处理原料粉在N2保护下于500℃保温1h，保温完毕得到高温处理原料粉；
步骤6，将步骤1中称取的聚乙烯醇与去离子水按照1：15的质量比混合，然后在90℃下搅拌至溶解，得到聚乙烯醇溶液；将步骤5的高温处理原料粉加入到聚乙烯醇溶液中，同时加入步骤1中称取的壳聚糖，搅拌均匀，得到吸附剂前驱体；
步骤7，将步骤6中吸附剂前驱体在常温下滴加到饱和硼酸溶液中进行固定化交联，滴加完毕后静置1h，得到固化物，将固化物洗净、烘干，即得到用于处理含染料废水的吸附剂。
实施例2
一种用于处理含染料废水的吸附剂，其制备原料包括以下组分：半焦30份、水镁石纤维20份、三氯化铁3份、聚乙烯醇5份、壳聚糖2.5份。
具体制备方法如下：
步骤1，按重量份称取半焦30份、水镁石纤维20份、三氯化铁3份、聚乙烯醇5份、壳聚糖2.5份，备用；
步骤2，将步骤1中称取的半焦和水镁石纤维分别粉碎、过40目筛后混合，得到混合原料粉；
步骤3，将步骤2中得到的混合原料粉与质量浓度为10％的氢氧化钠溶液按照1：8的质量比加入到反应容器中，然后在60℃下加热1h，加热完毕后得到活化原料粉，活化原料粉用水反复冲洗至pH为7后于70℃下干燥3h，干燥完毕后得到碱处理原料粉；
步骤4，将步骤1中称取的三氯化铁配制成浓度为65g/L的三氯化铁溶液，再往三氯化铁溶液中加入步骤3中的碱处理原料粉，然后在220r/min的搅拌速度下往其中滴加质量浓度为15％的单宁酸水溶液，调节体系pH值为4，滴加完毕后将其加热并持续沸腾5min，加热完毕后自然冷却至室温，然后用水洗至中性，于70℃下干燥3h，干燥完毕得到酸处理原料粉；
步骤5，将酸处理原料粉在N2保护下于550℃保温1h，保温完毕得到高温处理原料粉；
步骤6，将步骤1中称取的聚乙烯醇与去离子水按照1：15的质量比混合，然后在85℃下搅拌至溶解，得到聚乙烯醇溶液；将步骤5的高温处理原料粉加入到聚乙烯醇溶液中，同时加入步骤1中称取的壳聚糖，搅拌均匀，得到吸附剂前驱体；
步骤7，将步骤6中吸附剂前驱体在常温下滴加到饱和硼酸溶液中进行固定化交联，滴加完毕后静置1.5h，得到固化物，将固化物洗净、烘干，即得到用于处理含染料废水的吸附剂。
实施例3
一种用于处理含染料废水的吸附剂，其制备原料包括以下组分：半焦50份、水镁石纤维10份、三氯化铁3份、聚乙烯醇3份、壳聚糖2份。
具体制备方法如下：
步骤1，按重量份称取半焦50份、水镁石纤维10份、三氯化铁3份、聚乙烯醇3份、壳聚糖2份，备用；
步骤2，将步骤1中称取的半焦和水镁石纤维分别粉碎、过40目筛后混合，得到混合原料粉；
步骤3，将步骤2中得到的混合原料粉与质量浓度为10％的氢氧化钠溶液按照1：10的质量比加入到反应容器中，然后在40℃下加热2h，加热完毕后得到活化原料粉，活化原料粉用水反复冲洗至pH为7后于80℃下干燥2h，干燥完毕后得到碱处理原料粉；
步骤4，将步骤1中称取的三氯化铁配制成浓度为75g/L的三氯化铁溶液，再往三氯化铁溶液中加入步骤3中的碱处理原料粉，然后在250r/min的搅拌速度下往其中滴加质量浓度为15％的单宁酸水溶液，调节体系pH值为3，滴加完毕后将其加热并持续沸腾15min，加热完毕后自然冷却至室温，然后用水洗至中性，于80℃下干燥2h，干燥完毕得到酸处理原料粉；
步骤5，将酸处理原料粉在N2保护下于600℃保温1h，保温完毕得到高温处理原料粉；
步骤6，将步骤1中称取的聚乙烯醇与去离子水按照1：15的质量比混合，然后在80℃下搅拌至溶解，得到聚乙烯醇溶液；将步骤5的高温处理原料粉加入到聚乙烯醇溶液中，同时加入步骤1中称取的壳聚糖，搅拌均匀，得到吸附剂前驱体；
步骤7，将步骤6中吸附剂前驱体在常温下滴加到饱和硼酸溶液中进行固定化交联，滴加完毕后静置2h，得到固化物，将固化物洗净、烘干，即得到用于处理含染料废水的吸附剂。
实施例4
取0.1g实施例1中制备出的用于处理含染料废水的吸附剂，置于100mL锥形瓶中，加入30mL浓度为50mg/L的甲基橙废水，然后在室温下以150r/min的速度振荡1h，振荡完毕后取出吸附剂，然后将吸附完毕后的甲基橙废水废水静置澄清，取样测其吸光度，再根据朗伯-比尔定律由吸光度推算出此时废水中对甲基橙的浓度，用甲基橙废水的吸附率来评价实施例1中制备出的改性吸附的吸附能力，按公式计算甲基橙吸附率，计算公式如下：
D＝[(A0-A1)/A0]×100％
式中D为甲基橙的吸附率；A0为吸附前甲基橙废水的吸光度；A1为吸附后甲基橙废水的吸光度。
实施例5
具体操作、检测过程同实施例4，不同之处在于，实施例5所用吸附剂为实施例2制备好的用于处理含染料废水的吸附剂，染料废水为碱性红废水。
实施例6
具体操作、检测过程同实施例4，不同之处在于，实施例6所用吸附剂为实施例3制备好的用于处理含染料废水的吸附剂，染料废水为酸性红废水。
为了进一步说明本发明的效果，实验中还设置了对比例，具体如下：
对比例1
同实施例4，不同之处在于用半焦代替实施例1制备出的吸附剂。
对比例2
同实施例5，不同之处在于用水镁石纤维代替实施例2制备出的吸附剂。
对比例3
同实施例6，不同之处在于用三氯化铁代替实施例3制备出的吸附剂。
具体试验结果见表1-2。
表1吸附剂性能指标
项目 比表面积(cm2/g) 平均孔径(nm) 孔容(cm3/g)
实施例1 728.5 1.814 0.807
实施例2 718.2 1.796 0.798
实施例3 725.6 1.802 0.812
原料半焦 456.3 10.104 0.456
从表1可以看出，实施例1-3制备出的吸附剂的比表面积以及孔容均较未改性的半焦的大，孔径则相对较小，说明经过本发明的处理后，半焦中的小孔、中孔均被改性成微孔，且微孔数量更多，所以吸附性能更好。
表2染料废水吸附效果
从表2可以看出，相对于单独的各原料来说，本发明实施例1-3制备出的吸附对各种染料废水均具有更好的吸附效果，且经过吸附后，吸附率均能达到97％以上。
需要说明的是，本发明权利要求书中涉及数值范围时，应理解为每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用，由于采用的步骤方法与实施例1-6相同，为了防止赘述，本发明的描述了优选的实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种用于处理含染料废水的吸附剂，其特征在于，其制备原料包括以下组分：半焦30-50份、水镁石纤维10-20份、三氯化铁3-5份、聚乙烯醇3-5份、壳聚糖2-3份。
2.根据权利要求1所述的用于处理含染料废水的吸附剂，其特征在于，其制备原料包括以下组分：半焦40份、水镁石纤维15份、三氯化铁4份、聚乙烯醇4份、壳聚糖3份。
3.根据权利要求1所述的用于处理含染料废水的吸附剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，按重量份称取半焦30-50份、水镁石纤维10-20份、三氯化铁3-5份、聚乙烯醇3-5份、壳聚糖2-3份，备用；
步骤2，将步骤1中称取的半焦和水镁石纤维分别粉碎、过筛后混合，得到混合原料粉；
步骤3，将步骤2中得到的混合原料粉与质量浓度为10％的氢氧化钠溶液按照1：8-10的质量比加入到反应容器中，然后在40-60℃下加热1-2h，加热完毕后得到活化原料粉，将活化原料粉用水反复冲洗至pH为7后干燥，干燥完毕后得到碱处理原料粉；
步骤4，将步骤1中称取的三氯化铁配制成浓度为50-75g/L的三氯化铁溶液，再往三氯化铁溶液中加入步骤3中的碱处理原料粉，然后在搅拌条件下往其中滴加质量浓度为15％的单宁酸水溶液，调节体系pH值为3-5，滴加完毕后将其加热并持续沸腾5-15min，加热完毕后自然冷却至室温，然后用水洗至中性，干燥，得到酸处理原料粉；
步骤5，将酸处理原料粉在N2保护下于500-600℃保温1h，保温完毕得到高温处理原料粉；
步骤6，将步骤1中称取的聚乙烯醇与去离子水按照1：15的质量比混合，然后在80-90℃下搅拌至溶解，得到聚乙烯醇溶液；将步骤5的高温处理原料粉加入到所述聚乙烯醇溶液中，同时加入步骤1中称取的壳聚糖，搅拌均匀，得到吸附剂前驱体；
步骤7，将步骤6中吸附剂前驱体在常温下滴加到饱和硼酸溶液中进行固定化交联，滴加完毕后静置1-2h，得到固化物，将固化物洗净、烘干，即得到所述用于处理含染料废水的吸附剂。
4.根据权利要求3所述的用于处理含染料废水的吸附剂的制备方法，其特征在于，所述步骤2中半焦和水镁石纤维分别粉碎后过40目筛。
5.根据权利要求3所述的用于处理含染料废水的吸附剂的制备方法，其特征在于，所述步骤3和所述步骤4中干燥条件均为60-80℃下干燥2-4h。
6.根据权利要求3所述的用于处理含染料废水的吸附剂的制备方法，其特征在于，所述步骤4中搅拌速度为200-250r/min。
7.一种权利要求1所述的用于处理含染料废水的吸附剂在染料废水处理中的应用。
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