CN109513266A - 用于处理液体和气体中污染物的孔状颗粒复合铁 - Google Patents
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Abstract
一种用于处理液体和气体中无机和有机污染物的孔状颗粒复合铁,通过下述方法得到:将铁或铁和其它金属、硫、吸附剂粉末与聚乙烯醇混合,形成孔状颗粒复合铁。本发明的孔状颗粒产物具有高水渗透率、亲水性、对无机和有机污染物具有高处理活性,该孔状颗粒产物用于过滤器、反应器或地下水原位渗透反应墙以除去污染物。该孔状颗粒铁材料还具有密度低,在处理水过程中不结块,可再生使用的优点。
Description
技术领域
本发明属于化工材料和环保材料制备领域,具体地涉及一种用于处理液体和气体中无机和有机污染物的孔状颗粒铁。
本发明还涉及上述孔状颗粒铁的制备方法。
本发明还涉及上述孔状颗粒铁在处理液体和气体中无机和有机污染物方面的应用。
本发明还涉及上述孔状颗粒铁的再生方法。
背景技术
由于天然和人为来源,地下水、地表水和废水中均可能含有无机和有机有毒化合物,如砷、硒、铀、汞、铬、农药、氯化和硝基有机化学品。为了保护人类健康和环境,必须从饮用水和废水中去除污染物以达到监控标准。
零价铁或金属铁是处理水、土壤和气体中的无机和有机污染物的一种经济有效的材料。纳米颗粒、细粉和粒状铁已用于处理砷、重金属和有机污染物。然而,纳米铁粒子价格较昂贵,并且很容易被氧化。细铁粉水渗透率低,难以用于过滤器和原位渗透反应墙。细铁颗粒在水处理时容易结块。另一方面,大铁颗粒铁屑比表面低,反应活性低。
为解决细铁颗粒水渗透率低和结块问题,美国专利No.6387276用一种将铁粉与砂混合以达到所需渗透率的方法。该混合物用于原位渗透反应墙处理地下水中的砷。
美国专利No.6942807将一个振动装置安装在水过滤容器外壳上,用振动防止过滤器内铁粉在水处理过程中结块。
美国专利No.6602320用一种生产还原铁的方法,包括将含碳还原剂和铁氧化物的原料混合物凝聚成小团聚体,在还原炉里加热该凝聚物,从而还原凝聚体中的氧化铁产生固体还原铁,或进一步加热固体还原铁,熔融还原金属铁颗粒形成小团聚体,同时分离炉渣。
美国专利No.7611637用一种制备球形空心和/或孔状零价铁颗粒的方法,其直径不大于10毫米,孔隙率大于0.1,用于处理受污染的水。使用牺牲基板和热处理方法生产零价铁颗粒,包括步骤:
a)准备一个球形基板材料,该材料在高温可转换为挥发性物质或气体;
b)在该基体表面涂一层铁,其厚度至少为0.25纳米;
c)将所述涂层基板暴露在化学试剂或温度高到足以除去所述基体以形成空心铁颗粒;
d)将所述颗粒中的铁氧化物还原为金属铁。
美国专利No.9452413公开了一种用于处理受污染液体的孔状透水复合材料。该复合材料包括铁颗粒和在该铁颗粒空隙内0.01-10%的和/或活性炭功能物质。该铁体是采用压实和/或热形成一个孔状的铁颗粒结构。
发明内容
本发明的目的是提供一种孔状颗粒复合铁。
本发明的又一目的是提供一种制备上述孔状颗粒复合铁的方法。
为实现上述目的,本发明提供的孔状颗粒复合铁,通过下述方法得到:
将铁或铁和其它金属、硫、吸附剂粉末与表面改性剂和粘合剂混合,形成孔状颗粒铁,所述孔状颗粒铁表面为亲水性;其中:
其它金属和硫的含量为0.05%-5%,吸附剂粉末与表面改性剂以及粘合剂的含量为0.5%-30%。
本发明提供的制备上述孔状颗粒复合铁的方法,包括以下步骤:
将铁或铁和其它金属、硫、吸附剂粉末与表面改性剂和粘合剂混合,形成孔状颗粒铁,将铁表面由疏水性改变为亲水性;其中:
其它金属和硫的含量为0.05%-5%,吸附剂粉末与表面改性剂以及粘合剂的含量为0.5%-30%。
所述的制备方法中,所述其它金属为Cu、Ni或/和铂族金属。
所述的制备方法中,所述表面改性剂和粘合剂为聚乙烯醇、聚维酮、聚乙烯醇吡咯烷酮和/或聚醋酸乙烯。
所述的制备方法中,所述混合是在混合器和/或造粒机中进行。
所述的制备方法中,所述孔状颗粒铁在50-200摄氏度内处理。
所述的制备方法中,所述孔状颗粒铁的粒径在0.15-30毫米,比表面积大于0.5m2/g。
本发明提供的孔状颗粒铁可以应用在处理液体和气体中污染物,将孔状颗粒铁装入过滤器、反应器或地下水原位渗透反应墙,使污染的液体或气体通过该处理器以除去污染物。
所述的应用中,所述污染物为无机和有机污染物,如硒、铅、砷、铬、镉、铜、汞、铀、氟、氰化物,氯化和硝基有机化合物。
本发明的孔状颗粒铁在失效后,可以用氧化剂、酸或其它溶液再生后再使用。
本发明的孔状颗粒产物具有高水渗透率、亲水性、对无机和有机污染物具有高处理活性,该孔状颗粒产物用于过滤器、反应器或地下水原位渗透反应墙以除去污染物。该孔状颗粒铁材料还具有密度低,在处理水过程中不结块,可再生使用的优点。
附图说明
图1是使用本发明的孔状颗粒铁和商业无孔颗粒铁过滤处理含砷水的比较结果。
图2是使用本发明的孔状颗粒铁过滤处理废水中的硝基有机化合物环三亚甲基三硝胺(C3H6N6O6,RDX)的结果示意图。
图3是使用本发明的孔状颗粒铁和再生的孔状颗粒铁过滤处理含2,4-二硝基茴香醚(DNAN)水的比较结果。
图4是使用本发明的孔状颗粒铁过滤处理含硒水的结果。
图5是使用本发明的孔状颗粒铁铜产物过滤处理含铬水的结果。
图6是使用本发明的孔状颗粒铁碳产物过滤处理含RDX,DNAN,nitroimines(NQ)水的结果。
具体实施方式
本发明的孔状颗粒铁材料具有高水渗透率、亲水性、对液体和气体中的无机和有机污染物具有高处理活性。
本发明的制备方法包括以下步骤:将铁和其它金属(其它金属包括Cu、Ni或/和铂族金属,在一个具体实施例中该其它金属为铜)、硫、吸附剂粉末与表面改性剂和粘合剂化合物混合,形成团聚颗粒状物,干燥处理筛分其颗粒物以获得在一定粒度范围内的产品。
本发明中各种成份的比例没有严格的要求,一般地,其它金属和硫的含量控制在0.05%-5%为宜,吸附剂粉末与表面改性剂以及粘合剂的含量控制在0.5%-30%为宜。
该表面改性剂和粘合剂化合物可从聚乙烯醇、聚维酮、聚乙烯醇吡咯烷酮、聚醋酸乙烯等有机化合物中选择。该孔状颗粒产品用于过滤器、反应器和原位水渗透反应墙处理污染物。这种溶解的无机和有机污染物包括砷、硒、铬、铅、镉、铜、汞、铀、氯化和硝基有机化合物等。
该表面改性剂将颗粒铁转化为亲水性,避免气体在颗粒表面的附着,促进水中污染物与颗粒的接触和化学反应。
在以下实施例中,使用聚乙烯醇制备了铁以及铁和铜复合材料的孔状颗粒产物。用这些产物和相应的商业颗粒铁过滤处理水中的无机和有机化合物。实验结果表明,本发明的孔状颗粒产物比商业无空颗粒铁显著有效,并且可以反复再生,重复使用。
实施例1
使用铁粉与聚乙烯醇混合,团聚铁在110℃的温度处理,筛分得到粒径在0.42-1.19毫米范围内的孔状颗粒铁产物。表1列出孔状颗粒铁和商业无空颗粒铁的特性。孔状颗粒产物的密度比无空颗粒铁小四倍,其比表面积明显高于无空颗粒铁。
表1.孔状颗粒铁和商业无孔颗粒的特性
产物 | 比表面积(m<sup>2</sup>/g) | 粒径(mm) | 密度(g/mL) |
孔状颗粒铁 | 3.7 | 0.42-1.19 | 1.0-1.2 |
商业无孔颗粒铁 | <0.5 | 0.282-0.50 | 4.3 |
将孔状颗粒铁产品装入一个过滤器中,将含有10毫克/升砷酸As(V)水以2小时的空床接触时间的流速通过该过滤器。
将商业无孔颗粒铁装入另一个柱式过滤器在同样条件下进行过滤比较实验。
请结合图1,使用孔状颗粒铁和商业无孔颗粒铁过滤处理含砷水的比较结果,原水砷酸浓度As(V)=10毫克/升,原水pH=7.0,空床接触时间=2小时。
图1的过滤结果表明孔状颗粒铁过滤处理1848小时期间,过滤液As(V)浓度低于0.7毫克/升。而无孔颗粒铁只处理384小时含砷酸水,过滤液As(V)浓度就升高到3.9毫克/升。
实施例2
将含有35毫克/升环三亚甲基三硝胺(C3H6N6O6,RDX)的水以2小时的空床接触时间通过孔状颗粒铁过滤器,进水pH=5。
请参阅图2,显示在210天的过滤期间,孔状颗粒铁过滤器的出水RDX浓度低于0.05毫克/升。结果表明本发明的孔状颗粒铁可长期有效地处理硝基有机化合物,并且不在滤器内结块。而公知铁颗粒长期过滤处理后会在过滤器中结块,而降低铁颗粒的反应性和渗透性。
实施例3
将含有10毫克/升2,4-二硝基茴香醚(DNAN)的水以1小时的空床接触时间通过孔状颗粒铁过滤器。
请结合图3,使用孔状颗粒铁和再生的颗粒铁过滤处理含2,4-二硝基茴香醚(DNAN)水的结果,原水DNAN浓度=10毫克/升,原水pH=7.3,空床接触时间=1小时。
图3显示在最初500小时的过滤期间,新孔状颗粒铁将DNAN浓度从10降至小于0.9毫克/升。氧化剂再生和酸再生的孔状颗粒铁过滤分别有效的过滤了700和350小时的含DNAN水。结果表明,再生的孔状颗粒铁可以有效的处理硝基有机化合物。本实施例中再生采用的氧化剂和酸为公知技术。
实施例4
采用孔状颗粒铁过滤器处理含10毫克/升硒的水。
请结合图4,使用孔状颗粒铁过滤处理含硒水的结果,原水硒(VI)浓度=10毫克/升,原水pH=6.5,空床接触时间=2小时。
图4表明在1704小时过滤期间,过滤液硒浓度被减少到低于0.8毫克/升。
实施例5
使用铁粉与铜、硫加入聚维酮和聚乙烯醇吡咯烷酮,团聚铁在115℃的温度处理,筛分得到粒径在0.48-1.31毫米范围内的孔状颗粒铁铜产物。
采用孔状颗粒铁铜产物过滤处理含10毫克/升铬(Cr(VI))的水。
请结合图5,使用孔状颗粒铁铜产物过滤处理含铬水的结果,原水铬Cr(VI)浓度=10毫克/升,原水pH=3.5,空床接触时间=2.5小时。
图5显示了在2270小时过滤处理期间,过滤液中总铬浓度低于0.5毫克/升。
实施例6
使用铁粉与碳加入聚维酮,团聚铁在105℃的温度处理,筛分得到粒径在0.44-1.25毫米范围内的孔状颗粒铁碳产物。
采用孔状颗粒铁碳产物过滤处理含RDX,DNAN,nitroimines(NQ)的水.
请结合图6,使用孔状颗粒铁碳产物过滤处理含RDX,DNAN,(NQ)水的结果,原水RDX浓度=273毫克/升,DNAN浓度=72毫克/升,NQ浓度=508毫克/升,原水pH=2.6,空床接触时间=3小时。
图6显示了在91小时过滤处理期间,过滤液中三种硝基有机物浓度都低于20毫克/升。
Claims (10)
1.一种用于处理液体和气体中无机和有机污染物的孔状颗粒复合铁,通过下述方法得到:
将铁或铁和其它金属、硫、吸附剂粉末与表面改性剂和粘合剂混合,形成孔状颗粒铁,所述孔状颗粒铁表面为亲水性;其中:
其它金属和硫的含量为0.05%-5%,吸附剂粉末与表面改性剂以及粘合剂的含量为0.5%-30%。
2.一种用于处理液体和气体中无机和有机污染物的孔状颗粒复合铁的制备方法,包括以下步骤:
将铁或铁和其它金属、硫、吸附剂粉末与表面改性剂和粘合剂混合,形成孔状颗粒铁,将铁表面由疏水性改变为亲水性;其中:
其它金属和硫的含量为0.05%-5%,吸附剂粉末与表面改性剂以及粘合剂的含量为0.5%-30%。
3.根据权利要求2所述的制备方法,其中,所述其它金属为Cu、Ni或/和铂族金属。
4.根据权利要求2所述的制备方法,其中,所述表面改性剂和粘合剂为聚乙烯醇、聚维酮、聚乙烯醇吡咯烷酮和/或聚醋酸乙烯。
5.根据权利要求2所述的制备方法,其中,所述混合是在混合器和/或造粒机中进行。
6.根据权利要求2所述的制备方法,其中,所述孔状颗粒铁在50-200摄氏度内处理。
7.根据权利要求2所述的制备方法,其中,所述孔状颗粒铁的粒径在0.15-30毫米,比表面积大于0.5m2/g。
8.权利要求1所述的孔状颗粒铁在处理液体和气体中污染物的应用,将孔状颗粒铁装入过滤器、反应器或地下水原位渗透反应墙,使污染的液体或气体通过该处理器以除去污染物。
9.根据权利要求8所述的应用,其中,所述污染物为无机和有机污染物,硒、铅、砷、铬、镉、铜、汞、铀、氟、氰化物,氯化和硝基有机化合物。
10.权利要求1所述的孔状颗粒铁在失效后,用氧化剂、酸或其它溶液再生后再使用。
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Application publication date: 20190326 |
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