CN109794229B - 一种改性层状双金属氢氧化物负载缩醛交联化微孔双金属除Cr(Ⅵ)填料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改性层状双金属氢氧化物负载缩醛交联化微孔双金属除Cr(Ⅵ)填料的制备方法。本发明制备的产品在有效解决了铁粉与Cr(Ⅵ)反应,利用率低、易团聚、钝化问题的基础上,引入改性层状双金属氢氧化物,进一步显著提高填料除Cr(Ⅵ)性能,极大地降低填料成本。本发明填料对Cr(Ⅵ)的绝对去除率相比海藻酸钙固定化双金属除Cr(Ⅵ)填料提高3.27倍以上,反应速度相比海藻酸钙固定化双金属除Cr(Ⅵ)填料显著提升,填料成本相比海藻酸钙固定化双金属填料成本降低70%,具有良好的环境效益、经济效益和社会效益。
Description
技术领域
本发明涉及地下水Cr(VI)污染修复技术领域,特别涉及一种改性层状双金属氢氧化物负载缩醛交联化微孔双金属除Cr(Ⅵ)填料的制备方法。
背景技术
Cr(VI)污染的地下水的修复通常采用抽出-地表化学处理法,但存在成本高、周期长、能耗大、易造成地下水二次污染等缺点。近年来,零价铁PRB技术以其能耗低、不造成二次污染等优势迅速兴起,但零价铁与Cr(Ⅵ)发生的是表层反应,生成的(FexCr1-x)(OH)3沉淀附着在零价铁表面阻碍零价铁与Cr(Ⅵ)的进一步反应,导致零价铁钝化,从而利用率极低。同时表面生成的这些沉淀还会导致零价铁板结,影响PRB的渗透性,成为实地应用中的一个限制性设计参数。
针对零价铁除Cr(Ⅵ)填料利用率低、易团聚、钝化问题,国内外研究主要集中在三方面:
①降低铁粉粒径方面。通过电沉积或液相反应法制备纳米零价铁,降低零价铁粒径,一定程度上提高零价铁的比表面积,从而提高零价铁的利用率,但在实际应用中极易氧化失效。
②改变零价铁反应机理方面。通过在零价铁表面镀上一层催化剂,避免零价铁直接发生表层氧化还原反应,通过另一种金属催化剂起到电子传递的作用,从而增加零价铁的氧化层深度。
③运用分散材料/固定化材料方面。通过无机/有机载体(沸石、活性炭、粉煤灰、海藻酸钙等)与零价铁混合分散零价铁或通过有机溶剂分散/固定化零价铁,避免零价铁团聚,但传统的分散材料/固定化材料对零价铁的分散性能有限,如传统的活性炭、沸石等仅通过简单的物理分散来实现,效果差。
发明内容
本发明目的在于解决零价铁与Cr(Ⅵ)反应利用率低、反应速率慢、易团聚、钝化、成本高的缺陷,提供了一种高效、经济可行、使用方便的一种改性层状双金属氢氧化物负载缩醛交联化微孔双金属除Cr(Ⅵ)填料的制备方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的:一种改性层状双金属氢氧化物负载缩醛交联化微孔双金属除Cr(Ⅵ)填料的制备方法,该方法包括以下步骤:
(1)将聚乙烯吡咯烷酮、角叉莱胶分别以0.01~0.03g/mL、0.01~0.04g/mL的质量浓度混入100mL水中,在磁力加热搅拌器搅拌条件下滴加10mL质量浓度0.01g/mL戊二醛溶液和5g过200目标准筛的粉末活性炭,并用0.1mol/L浓度盐酸溶液调节溶液pH至6.5,反应25~50min后冷却至常温待用;
(2)将铁粉用浓度为0.05~0.4mol/L的盐酸清洗2~5min,然后水洗至中性,再将清洗后的铁粉放入冷冻干燥机中干燥,干燥后的铁粉过200目标准筛后,取筛下铁粉备用;
(3)将1~10g步骤(2)处理后的铁粉,加入到步骤(1)配置的100mL混合溶液中,混合均匀后待用;
(4)向将步骤(3)制得的混合物中加入0.02~0.21g CuCl2,充分搅拌反应30min后待用;
(5)将聚乙烯醇以0.01~0.04g/mL的浓度加入到100mL蒸馏水中,溶解完全后静置2小时待用;
(6)向步骤(4)中加入10~50mL步骤(5)所制备的聚乙烯醇溶液,磁力搅拌30min后待用;
(7)将氯化钙和硼酸分别以0.02g/mL、0.03g/mL的浓度加入到100mL蒸馏水中,充分搅拌,溶解完全后静置1小时待用;
(8)将Zn(NO3)2·6H2O和Al(NO3)3·9H2O以摩尔比n(Zn):n(Al)=2:1的比例溶解于蒸馏水中;
(9)称取一定量NaOH和Na2CO3溶解于蒸馏水中,其中,NaOH的称取量根据摩尔比n(OH-):[n(Zn2+)+n(Al3+)]=2.2:1确定,Na2CO3的称取量根据摩尔比n(CO32-):[n(Zn2+)+n(Al3+)]=0.667:1确定;
(10)将步骤(8)和步骤(9)制备的两种溶液滴入蒸馏水中,控制滴加速度维持体系pH在8-9,反应完成后陈化8h,离心后取沉淀物,用蒸馏水洗涤至中性,干燥后研磨成粉末,过100目标准筛,取筛下物待用。
(11)将步骤(10)的筛下物放入管式电阻炉中进行焙烧,控制温度450~500℃,焙烧时间控制在2~4h,焙烧后的产物记为Zn-Al-LDO待用;
(12)在一定的搅拌速度下,将2~5g步骤(11)制备的Zn-Al-LDO与步骤(6)制备的混合溶液混合搅拌均匀后,滴入到步骤(7)所配置的溶液中,养护24h。
本发明的有益效果是:本发明制备的改性层状双金属氢氧化物负载缩醛交联化微孔双金属除Cr(Ⅵ)填料用于Cr(Ⅵ)污染地下水实地原位修复时,不仅可以提升铁粉的除Cr(Ⅵ)性能,还可以克服铁粉易团聚、易钝化、无法工程化设计应用等缺点,且制作方法简便、除Cr(Ⅵ)效率极高、无机层状Zn-Al氢氧化物及有机材料(聚乙烯吡咯烷酮、角叉莱胶等)环保无污染等突出优点。生产出的产品为圆形颗粒,具有良好的通透性、吸附性及反应性,除Cr(Ⅵ)能力很强,是一种优良的除Cr(Ⅵ)填料,经济效益、社会效益、环境效益显著,可在地下水Cr(Ⅵ)污染实地原位修复的工程中大规模应用。该制备方法首先通过将铁粉改性,增加了铁粉氧化层深度,解决铁粉去除Cr(Ⅵ)利用率低的问题;其次通过聚乙烯吡咯烷酮、角叉莱胶等高分子材料以一定配比固定/分散金属颗粒,在增大金属颗粒比表面积提高铁粉利用率的同时,解决了铁粉易板结、堵塞的问题,提高了材料的可工程应用性;最后通过制备高性能Cr(Ⅵ)吸附材料Zn-Al-LDO,进一步提高Cr(Ⅵ)绝对去除率和反应速率,满足PRB工程开挖和设计要求,切实提高填料大规模工程设计应用的可操作性和可实施性。
本发明的独特之处在于:(1)高效复合配比高分子聚合材料的应用(聚乙烯吡咯烷酮、角叉莱胶等),在兼具有优良性能(高通透性、抗板结、抗堵塞)的同时,降低了填料制备成本;(2)高性能Cr(Ⅵ)吸附材料Zn-Al-LDO的引入,进一步提高填料对Cr(Ⅵ)的绝对去除率和反应速率,满足PRB工程开挖和设计要求,切实提高填料大规模工程设计应用的可操作性和可实施性。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
(1)将聚乙烯吡咯烷酮、角叉莱胶分别以0.01g/mL、0.01g/mL的质量浓度混入100mL水中,在磁力加热搅拌器搅拌条件下滴加10mL质量浓度0.01g/mL戊二醛溶液和5g过200目标准筛的粉末活性炭,并用0.1mol/L浓度盐酸溶液调节溶液pH至6.5,反应25min后冷却至常温待用;
(2)将铁粉用浓度为0.05mol/L的盐酸清洗2min,然后水洗至中性,再将清洗后的铁粉放入冷冻干燥机中干燥,干燥后的铁粉过200目标准筛后,取筛下铁粉备用;
(3)将1g步骤(2)处理后的铁粉,加入到步骤(1)配置的100mL混合溶液中,混合均匀后待用;
(4)向将步骤(3)制得的混合物中加入0.02g CuCl2,充分搅拌反应30min后待用;
(5)将聚乙烯醇以0.01g/mL的浓度加入到100mL蒸馏水中,溶解完全后静置2小时待用;
(6)向步骤(4)中加入10mL步骤(5)所制备的溶液,磁力搅拌30min后待用;
(7)将氯化钙和硼酸分别以0.02g/mL、0.03g/mL的浓度加入到100mL蒸馏水中,充分搅拌,溶解完全后静置1小时待用;
(8)将Zn(NO3)2·6H2O和Al(NO3)3·9H2O以摩尔比n(Zn):n(Al)=2:1的比例溶解于蒸馏水中;
(9)称取一定量NaOH和Na2CO3溶解于蒸馏水中,其中,NaOH的称取量根据摩尔比n(OH-):[n(Zn2+)+n(Al3+)]=2.2:1确定,Na2CO3的称取量根据摩尔比n(CO3 2-):[n(Zn2+)+n(Al3+)]=0.667:1确定;
(10)将步骤(8)和步骤(9)制备的两种溶液滴入蒸馏水中,控制滴加速度维持体系pH在8-9,反应完成后陈化8h,用蒸馏水洗涤溶液至中性,离心后取沉淀物,干燥后研磨成粉末,过100目标准筛,取筛下物待用。
(11)将步骤(10)的筛下物放入管式电阻炉中进行焙烧,控制温度450℃,焙烧时间控制在2h,焙烧后的产物记为Zn-Al-LDO待用;
(12)在一定的搅拌速度下,将2g步骤(11)制备的Zn-Al-LDO与步骤(6)制备的混合溶液混合搅拌均匀后,以一定速度滴入到步骤(7)所配置的溶液中,养护24h,即得改性层状双金属氢氧化物负载缩醛交联化微孔双金属除Cr(Ⅵ)填料Zn-Al-LDO-MB1。
将此实施例所制备的填料以及用于实验对比的3种填料(纯铁粉、双金属镀铜1%、海藻酸钙固定化Fe-Cu双金属镀铜1%)均加入到初始浓度50mg/L,体积1L的含Cr(Ⅵ)废水中,上述所有填料中的铁粉含量均为1.0g,4种填料中的铁粉均为铸铁粉。
经静态烧杯实验,发现5小时后,纯铁粉、双金属镀铜1.0%、海藻酸钙固定化Fe-Cu双金属镀铜1%、Zn-Al-LDO-MB1四种填料对含Cr(Ⅵ)废水的去除率分别为6.6%、14.8%、30.6%、60.6%。
实施例2
(1)将聚乙烯吡咯烷酮、角叉莱胶分别以0.02g/mL、0.03g/mL的质量浓度混入100mL水中,在磁力加热搅拌器搅拌条件下滴加10mL质量浓度0.01g/mL戊二醛溶液和5g过200目标准筛的粉末活性炭,并用0.1mol/L浓度盐酸溶液调节溶液pH至6.5,反应30min后冷却至常温待用;
(2)将铁粉用浓度为0.08mol/L的盐酸清洗4min,然后水洗至中性,再将清洗后的铁粉放入冷冻干燥机中干燥,干燥后的铁粉过200目标准筛后,取筛下铁粉备用;
(3)将2g步骤(2)处理后的铁粉,加入到步骤(1)配置的100mL混合溶液中,混合均匀后待用;
(4)向将步骤(3)制得的混合物中加入0.04g CuCl2,充分搅拌反应30min后待用;
(5)将聚乙烯醇以0.02g/mL的浓度加入到100mL蒸馏水中,溶解完全后静置2小时待用;
(6)向步骤(4)中加入20mL步骤(5)所制备的溶液,磁力搅拌30min后待用;
(7)将氯化钙和硼酸分别以0.02g/mL、0.03g/mL的浓度加入到100mL蒸馏水中,充分搅拌,溶解完全后静置1小时待用;
(8)将Zn(NO3)2·6H2O和Al(NO3)3·9H2O以摩尔比n(Zn):n(Al)=2:1的比例溶解于蒸馏水中;
(9)称取一定量NaOH和Na2CO3溶解于蒸馏水中,其中,NaOH的称取量根据摩尔比n(OH-):[n(Zn2+)+n(Al3+)]=2.2:1确定,Na2CO3的称取量根据摩尔比n(CO3 2-):[n(Zn2+)+n(Al3+)]=0.667:1确定;
(10)将步骤(8)和步骤(9)制备的两种溶液滴入蒸馏水中,控制滴加速度维持体系pH在8-9,反应完成后陈化8h,用蒸馏水洗涤溶液至中性,离心后取沉淀物,干燥后研磨成粉末,过100目标准筛,取筛下物待用。
(11)将步骤(10)的筛下物放入管式电阻炉中进行焙烧,控制温度480℃,焙烧时间控制在3h,焙烧后的产物记为Zn-Al-LDO待用;
(12)在一定的搅拌速度下,将4g步骤(11)制备的Zn-Al-LDO与步骤(6)制备的混合溶液混合搅拌均匀后,以一定速度滴入到步骤(7)所配置的溶液中,养护24h,即得改性层状双金属氢氧化物负载缩醛交联化微孔双金属除Cr(Ⅵ)填料Zn-Al-LDO-MB2。
将此实施例所制备的填料Zn-Al-LDO-MB2加入到初始浓度50mg/L,体积1L的含Cr(Ⅵ)废水中,经静态烧杯实验,发现5小时后,Zn-Al-LDO-MB2填料对含Cr(Ⅵ)废水的去除率达到100%。
实施例3
(1)将聚乙烯吡咯烷酮、角叉莱胶分别以0.03g/mL、0.04g/mL的质量浓度混入100mL水中,在磁力加热搅拌器搅拌条件下滴加10mL质量浓度0.01g/mL戊二醛溶液和5g过200目标准筛的粉末活性炭,并用0.1mol/L浓度盐酸溶液调节溶液pH至6.5,反应50min后冷却至常温待用;
(2)将铁粉用浓度为0.4mol/L的盐酸清洗5min,然后水洗至中性,再将清洗后的铁粉放入冷冻干燥机中干燥,干燥后的铁粉过200目标准筛后,取筛下铁粉备用;
(3)将10g步骤(2)处理后的铁粉,加入到步骤(1)配置的100mL混合溶液中,混合均匀后待用;
(4)向将步骤(3)制得的混合物中加入0.21g CuCl2,充分搅拌反应30min后待用;
(5)将聚乙烯醇以0.03g/mL的浓度加入到100mL蒸馏水中,溶解完全后静置2小时待用;
(6)向步骤(4)中加入50mL步骤(5)所制备的溶液,磁力搅拌30min后待用;
(7)将氯化钙和硼酸以0.02g/mL、0.03g/mL的浓度加入到100mL蒸馏水中,充分搅拌,溶解完全后静置1小时待用;
(8)将Zn(NO3)2·6H2O和Al(NO3)3·9H2O以摩尔比n(Zn):n(Al)=2:1的比例溶解于蒸馏水中;
(9)称取一定量NaOH和Na2CO3溶解于蒸馏水中,其中,NaOH的称取量根据摩尔比n(OH-):[n(Zn2+)+n(Al3+)]=2.2:1确定,Na2CO3的称取量根据摩尔比n(CO3 2-):[n(Zn2+)+n(Al3+)]=0.667:1确定;
(10)将步骤(8)和步骤(9)制备的两种溶液滴入蒸馏水中,控制滴加速度维持体系pH在8-9,反应完成后陈化8h,用蒸馏水洗涤溶液至中性,离心后取沉淀物,干燥后研磨成粉末,过100目标准筛,取筛下物待用。
(11)将步骤(10)的筛下物放入管式电阻炉中进行焙烧,控制温度500℃,焙烧时间控制在4h,焙烧后的产物记为Zn-Al-LDO待用;
(12)在一定的搅拌速度下,将5g步骤(11)制备的Zn-Al-LDO与步骤(6)制备的混合溶液混合搅拌均匀后,以一定速度滴入到步骤(7)所配置的溶液中,养护24h,即得改性层状双金属氢氧化物负载缩醛交联化微孔双金属除Cr(Ⅵ)填料Zn-Al-LDO-MB3。
将此实施例所制备的填料Zn-Al-LDO-MB3加入到初始浓度50mg/L,体积1L的含Cr(Ⅵ)废水中,经静态烧杯实验,发现5小时后,Zn-Al-LDO-MB3填料对含Cr(Ⅵ)废水的去除率达到100%。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式。应当指出,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以作出若干变形和改进,这些也应视为属于本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种改性层状双金属氢氧化物负载缩醛交联化微孔双金属除六价铬填料的制备方法,其特征在于,步骤如下:
(1)将聚乙烯吡咯烷酮、角叉莱胶分别以0.01~0.03g/mL、0.01~0.04 g/mL的质量浓度混入100mL水中,在磁力加热搅拌器搅拌条件下滴加10mL质量浓度0.01g/mL戊二醛溶液和5g过200目标准筛的粉末活性炭,并用0.1 mol/L浓度盐酸溶液调节溶液pH至6.5,反应25~50 min后冷却至常温待用;
(2)将铁粉用浓度为0.05~0.4 mol/L的盐酸清洗2~5 min,然后水洗至中性,再将清洗后的铁粉放入冷冻干燥机中干燥,干燥后的铁粉过200目标准筛后,取筛下铁粉备用;
(3)将1~10 g步骤(2)处理后的铁粉,加入到步骤(1)配置的100mL混合溶液中,混合均匀后待用;
(4)向将步骤(3)制得的混合物中加入0.02~0.21 g CuCl2,充分搅拌反应30min后待用;
(5)将聚乙烯醇以0.01~0.04 g/mL的浓度加入到100mL蒸馏水中,溶解完全后静置2小时待用;
(6)向步骤(4)中加入10~50 mL步骤(5)所制备的聚乙烯醇溶液,磁力搅拌30min后待用;
(7)将氯化钙和硼酸分别以0.02 g/mL、0.03 g/mL的浓度加入到100mL蒸馏水中,充分搅拌,溶解完全后静置1小时待用;
(8)将Zn(NO3)2·6H2O和Al(NO3)3·9H2O以摩尔比n(Zn):n(Al)=2:1的比例溶解于蒸馏水中;
(9)称取一定量NaOH和Na2CO3溶解于蒸馏水中,其中,NaOH的称取量根据摩尔比n(OH-):[n(Zn2+)+n(Al3+)]=2.2:1确定,Na2CO3的称取量根据摩尔比n(CO3 2-):[n(Zn2+)+n(Al3+)]=0.667:1确定;
(10)将步骤(8)和步骤(9)制备的两种溶液滴入蒸馏水中,控制滴加速度维持体系pH在8-9,反应完成后陈化8h,离心后取沉淀物,用蒸馏水洗涤至中性,干燥后研磨成粉末,过100目标准筛,取筛下物待用;
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