CN110314644A - 一种用于吸附重金属离子的硫铝酸盐水泥-膨润土复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种用于吸附重金属离子的硫铝酸盐水泥-膨润土复合材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于重金属吸附技术领域，具体涉及一种用于吸附重金属离子的硫铝酸盐水泥‑膨润土复合材料及其制备方法和应用。以质量份数计，该复合材料的制备原料组成如下：硫铝酸盐水泥为25～75份，膨润土为25～75份，以及水。将硫铝酸盐水泥、膨润土和水在磁力搅拌机中均匀混合，搅拌速度为1000～1500rpm，搅拌时间2‑3h；然后将混合物密封保存在20±2℃条件下静置7d后，离心、过滤，分离后的固体置于35‑40℃的真空干燥箱中干燥；干燥后的固体经研磨后过100目筛，即可制得用于吸附重金属离子的硫铝酸盐水泥‑膨润土复合材料。本发明使用硫铝酸盐水泥和膨润土复合制成吸附剂材料，对重金属离子的吸附效果较好、吸附剂制备成本低、处理工艺简单，适合推广应用。

Description

一种用于吸附重金属离子的硫铝酸盐水泥-膨润土复合材料 及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于重金属吸附技术领域，具体涉及一种用于吸附重金属离子的硫铝酸盐水泥-膨润土复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
工业的发展和进步虽然给人们提供了巨大的财富，但是矿山开采、金属电镀、有色金属冶炼、石油化工等工业活动产生大量含有重金属离子的工业废水。由于重金属具有剧毒性、快速扩散、生物不可降解的特点，若重金属废水排放到江河湖泊中，污染土壤，重金属可以被农作物吸收，进而影响农作物的生长，造成减产或更大的损失；重金属也可通过植物根系进入食物链，通过食物链作用进入人体，在人体内累积，从而导致各种疾病和机能紊乱，最终对人体健康造成严重危害。因此，探究如何高效、低成本地去解决重金属离子污染是紧迫而艰巨的任务。
重金属污染常用的处理方法主要有化学沉淀法、电解法、吸附法、离子交换法、膜分离法、生物处理法等，其中吸附法因其高效、处理工业和操作简单、绿色无污染、适用范围广而成为处理水体重金属污染最有效的方法之一。目前常用的吸附材料有活性炭、矿物材料、生物吸附材料、碳纳米管，但是活性炭和碳纳米管的制备工艺较复杂，价格昂贵；生物吸附材料的吸附能力较弱。
专利CN109589916A公开了一种重金属吸附剂及其制备方法，所述吸附剂由下述重量份原料组成：改性石墨烯5～50份、改性膨润土5～50份、硅藻泥5～40份、填加剂5～30份。该申请利用超声对原料进行处理改性，超声波能够通过其产生的空化作用，有效增加石墨烯和膨润土的吸附能力，从而达到更好地去除效果；酸化处理膨润土过程中能够有效去除膨润土层间的杂质，疏通层间通道，进一步增加膨润土的层间距，促进重金属污染物的吸附过程；通过硫酸亚铁和硫酸铝对膨润土进行改性，在提高膨润土的吸附性能的同时也能在处理废水的过程中形成微絮凝，进一步提高药剂的效率。但是原材料成本较高、且吸附剂制备工艺较复杂。
专利CN105536702A公开了一种吸附重金属离子的石墨烯水泥基材料及其制备方法，所用原料为功能化的石墨烯、水泥、砂子和水。该材料污染水中的重金属离子的吸附能力强，但其制备需要超声处理30min，设备要求高，并且原材料成本较高。
专利CN109464982A公开了一种用于处理重金属废水锆钛柱撑蒙脱石复合材料的制备方法，该方法包括的步骤：制备钠基蒙脱石Na-mt、制备钛柱化剂、制备锆柱化剂、将钛柱化剂和锆柱化剂混合制得Zr/Ti柱化剂、将Zr/Ti柱化剂缓慢滴加到Na-mt悬浮液中搅拌离心过滤烘干、高温焙烧制得锆钛柱撑蒙脱石复合材料产品。该申请的锆钛柱撑蒙脱石(Zr/Ti-mt)复合材料就是将钙基蒙脱石钠化，再经锆离子(Zr4+)和钛离子(Ti4+)改性后制得，对废水中重金属离子具有很好的吸附作用。但是吸附剂制作成本高、工艺繁琐。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于吸附重金属离子的硫铝酸盐水泥-膨润土复合材料及其制备方法和应用，本发明的硫铝酸盐水泥-膨润土复合材料成本低、制备工艺简单、而且能够高效地吸附重金属离子。
本发明采用的技术方案如下：
一种用于吸附重金属离子的硫铝酸盐水泥-膨润土复合材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，将硫铝酸盐水泥、膨润土和水混合并搅拌均匀，得到混合物；
步骤二，将步骤一得到的混合物密封保存在20±2℃条件下静置7d后，离心、过滤，将分离后的固体进行真空干燥，制得所述用于吸附重金属离子的硫铝酸盐水泥-膨润土复合材料。
步骤一中，以质量份数计，硫铝酸盐水泥为25～75份，膨润土为25～75份；水的加入量是硫铝酸盐水泥加入量与膨润土加入量总量之和的10倍。
硫铝酸盐水泥和膨润土的质量比为3:1、1:1或1:3。
步骤一中，搅拌速度为1000～1500rpm，搅拌时间为2～3h。
步骤二中，真空干燥的温度为35～40℃。
所述硫铝酸盐水泥为42.5强度等级的低碱度硫铝酸盐水泥。
所述膨润土是钠基膨润土和钙基膨润土中的一种或两种的组合。
一种用于吸附重金属离子的硫铝酸盐水泥-膨润土复合材料，所述用于吸附重金属离子的硫铝酸盐水泥-膨润土复合材料通过本发明上述的制备方法制得。
本发明用于吸附重金属离子的硫铝酸盐水泥-膨润土复合材料的应用，所述用于吸附重金属离子的硫铝酸盐水泥-膨润土复合材料用于吸附废水中含有的重金属离子。
所述重金属离子包括Cr(III)离子、Pb(II)离子和Cd(II)离子中的一种或几种。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明用于吸附重金属离子的硫铝酸盐水泥-膨润土复合材料的制备方法先将硫铝酸盐水泥、膨润土和水混合并搅拌均匀，得到混合物；然后将得到的混合物密封保存在20±2℃条件下静置7d后，离心、过滤，将分离后的固体进行真空干燥，制得所述用于吸附重金属离子的硫铝酸盐水泥-膨润土复合材料。由此可以看出，本发明制备方法过程简单，无需复杂设备用于制备；此外，硫铝酸盐水泥、膨润土和水均为易得材料，而且成本低。
本发明的硫铝酸盐水泥-膨润土复合材料以硫铝酸盐水泥和膨润土为基体组成，硫铝酸盐水泥的主要水化产物是钙矾石、氢氧化铝凝胶和水化硅酸钙凝胶等，其中钙矾石(AFt)晶体为定向排列呈柱状结构，通过化学置换及表面电负性，可在晶体柱间和通道内容纳许多外来离子，如Ca2+能够被Cd2+、Zn2+、Ni2+取代，Al3+能够被Cr3+、Si4+等取代；SO4 2－能够被CO3 2－、Cl－等取代；此外，Cs、Np、Pu、Sr、Tc、Sn等金属离子也可被钙矾石控制；氢氧化铝凝胶也具有较强的吸附能力，可吸附重金属离子；水化硅酸钙凝胶具有较高的比表面积，在饱和状态下比表面积可达700m2/g以上，可吸附一部分重金属离子；此外，重金属离子能够与OH-反应形成不溶性的氢氧化物而被固定在水泥基体中。膨润土的主要成分是蒙脱石，其基本构造单位是硅氧四面体和铝氢氧八面体，由于蒙脱石晶胞形成的层状结构存在Cu、Mg、Na、K等阳离子，且这些阳离子与蒙脱石晶胞的作用很不稳定，易被其它阳离子交换，故具有较好的离子交换性。膨润土颗粒表面还可以形成水合氧化物覆盖层，使其表面呈负电性，有利于络合吸附重金属离子。此外，膨润土颗粒较细，具有较大的比表面积，对重金属离子有一定的物理吸附作用。综上，本发明用于吸附重金属离子的硫铝酸盐水泥-膨润土复合材料能够高效地吸附重金属离子。
具体实施方式
下面结合实施例来对本发明做进一步的说明。
本发明用于固化重金属离子的硫铝酸盐水泥-膨润土复合材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，将硫铝酸盐水泥、膨润土和水在磁力搅拌机中均匀混合，搅拌速度为1000～1500rpm，搅拌时间2～3h；
步骤二，将混合物密封保存在20±2℃条件下静置7d后，离心、过滤，分离后的固体置于35～40℃的真空干燥箱中干燥；
步骤三，干燥后的固体经研磨后过100目筛，即可制得用于吸附重金属离子的硫铝酸盐水泥-膨润土复合材料。
其中，步骤一中，以质量份数计，制备用于固化重金属离子的硫铝酸盐水泥-膨润土复合材料的原料中：硫铝酸盐水泥为25～75份，膨润土为25～75份，水的质量是硫铝酸盐水泥与膨润土质量之和的10倍。硫铝酸盐水泥采用42.5强度等级的低碱度硫铝酸盐水泥；膨润土采用钠基膨润土和钙基膨润土中的一种或两种的组合。
作为本发明优选的实施方案：硫铝酸盐水泥和膨润土的质量比为3:1、1:1或1:3。
实施例1
将37.50g硫铝酸盐水泥、12.50g钙基膨润土和500g的水在磁力搅拌机中均匀混合，得到混合物，搅拌速度为1000rpm，搅拌时间2h；将混合物密封保存在20±2℃条件下静置7d后，离心、过滤，分离后的固体置于35℃的真空干燥箱中干燥；干燥后的固体经研磨后过100目筛，即可制得用于吸附重金属离子的硫铝酸盐水泥-膨润土复合材料。将0.1g硫铝酸盐水泥-膨润土复合材料投入初始浓度为100mg·L-1重金属离子Cr(III)的溶液中，然后在恒温水平振荡器中200r·min-1的条件下进行吸附，吸附时间为2h，测得溶液中Cr(III)离子剩余浓度为0.027mg·L-1，计算得到Cr(III)离子去除率为99.975％。
实施例2
将37.50g硫铝酸盐水泥、12.50g钙基膨润土和500g的水在磁力搅拌机中均匀混合，得到混合物，搅拌速度为1000rpm，搅拌时间2h；将混合物密封保存在20±2℃条件下静置7d后，离心、过滤，分离后的固体置于35℃的真空干燥箱中干燥；干燥后的固体经研磨后过100目筛，即可制得用于吸附重金属离子的硫铝酸盐水泥-膨润土复合材料。将0.1g硫铝酸盐水泥-膨润土复合材料投入初始浓度为100mg·L-1重金属离子Pb(II)的溶液中，然后在恒温水平振荡器中200r·min-1的条件下进行吸附，吸附时间为2h，测得溶液中Pb(II)离子剩余浓度为0.186mg·L-1，计算得到Pb(II)离子去除率为99.814％。
实施例3
将37.50g硫铝酸盐水泥、12.50g钠基膨润土和500g的水在磁力搅拌机中均匀混合，得到混合物，搅拌速度为1000rpm，搅拌时间2h；将混合物密封保存在20±2℃条件下静置7d后，离心、过滤，分离后的固体置于35℃的真空干燥箱中干燥；干燥后的固体经研磨后过100目筛，即可制得用于吸附重金属离子的硫铝酸盐水泥-膨润土复合材料。将0.1g硫铝酸盐水泥-膨润土复合材料投入初始浓度为100mg·L-1重金属离子Cd(II)的溶液中，然后在恒温水平振荡器中200r·min-1的条件下进行吸附，吸附时间为2h，测得溶液中Cd(II)离子剩余浓度为0.054mg·L-1，计算得到Cd(II)离子去除率为99.946％。
实施例4
将25.00g硫铝酸盐水泥、25.00g钙基膨润土和500g的水在磁力搅拌机中均匀混合，得到混合物，搅拌速度为1200rpm，搅拌时间2.5h；将混合物密封保存在20±2℃条件下静置7d后，离心、过滤，分离后的固体置于35℃的真空干燥箱中干燥；干燥后的固体经研磨后过100目筛，即可制得用于吸附重金属离子的硫铝酸盐水泥-膨润土复合材料。将0.1g硫铝酸盐水泥-膨润土复合材料投入初始浓度为100mg·L-1重金属离子Cr(III)的溶液中，然后在恒温水平振荡器中200r·min-1的条件下进行吸附，吸附时间为2h，测得溶液中Cr(III)离子剩余浓度为0.047mg·L-1，计算得到Cr(III)离子去除率为99.953％。
实施例5
将25.00g硫铝酸盐水泥、25.00g钙基膨润土和500g的水在磁力搅拌机中均匀混合，得到混合物，搅拌速度为1200rpm，搅拌时间2.5h；将混合物密封保存在20±2℃条件下静置7d后，离心、过滤，分离后的固体置于35℃的真空干燥箱中干燥；干燥后的固体经研磨后过100目筛，即可制得用于吸附重金属离子的硫铝酸盐水泥-膨润土复合材料。将0.1g硫铝酸盐水泥-膨润土复合材料投入初始浓度为100mg·L-1重金属离子Pb(II)的溶液中，然后在恒温水平振荡器中200r·min-1的条件下进行吸附，吸附时间为2h，测得溶液中Pb(II)离子剩余浓度为0.177mg·L-1，计算得到Pb(II)离子去除率为99.823％。
实施例6
将25.00g硫铝酸盐水泥、25.00g钠基膨润土和500g的水在磁力搅拌机中均匀混合，得到混合物，搅拌速度为1200rpm，搅拌时间2.5h；将混合物密封保存在20±2℃条件下静置7d后，离心、过滤，分离后的固体置于35℃的真空干燥箱中干燥；干燥后的固体经研磨后过100目筛，即可制得用于吸附重金属离子的硫铝酸盐水泥-膨润土复合材料。将0.1g硫铝酸盐水泥-膨润土复合材料投入初始浓度为100mg·L-1重金属离子Cd(II)的溶液中，然后在恒温水平振荡器中200r·min-1的条件下进行吸附，吸附时间为2h，测得溶液中Cd(II)离子剩余浓度为0.085mg·L-1，计算得到Cd(II)离子去除率为99.915％。
实施例7
将12.50g硫铝酸盐水泥、37.50g钙基膨润土和500g的水在磁力搅拌机中均匀混合，得到混合物，搅拌速度为1500rpm，搅拌时间3h；将混合物密封保存在20±2℃条件下静置7d后，离心、过滤，分离后的固体置于40℃的真空干燥箱中干燥；干燥后的固体经研磨后过100目筛，即可制得用于吸附重金属离子的硫铝酸盐水泥-膨润土复合材料。将0.1g硫铝酸盐水泥-膨润土复合材料投入初始浓度为100mg·L-1重金属离子Cr(III)的溶液中，然后在恒温水平振荡器中200r·min-1的条件下进行吸附，吸附时间为2h，测得溶液中Cr(III)离子剩余浓度为0.023mg·L-1，计算得到Cr(III)离子去除率为99.977％。
实施例8
将12.50g硫铝酸盐水泥、37.50g钙基膨润土和500g的水在磁力搅拌机中均匀混合，得到混合物，搅拌速度为1500rpm，搅拌时间3h；将混合物密封保存在20±2℃条件下静置7d后，离心、过滤，分离后的固体置于40℃的真空干燥箱中干燥；干燥后的固体经研磨后过100目筛，即可制得用于吸附重金属离子的硫铝酸盐水泥-膨润土复合材料。将0.1g硫铝酸盐水泥-膨润土复合材料投入初始浓度为100mg·L-1重金属离子Pb(II)的溶液中，然后在恒温水平振荡器中200r·min-1的条件下进行吸附，吸附时间为2h，测得溶液中Pb(II)离子剩余浓度为0.181mg·L-1，计算得到Pb(II)离子去除率为99.819％。
实施例9
将12.50g硫铝酸盐水泥、37.50g钠基膨润土和500g的水在磁力搅拌机中均匀混合，得到混合物，搅拌速度为1500rpm，搅拌时间3h；将混合物密封保存在20±2℃条件下静置7d后，离心、过滤，分离后的固体置于40℃的真空干燥箱中干燥；干燥后的固体经研磨后过100目筛，即可制得用于吸附重金属离子的硫铝酸盐水泥-膨润土复合材料。将0.1g硫铝酸盐水泥-膨润土复合材料投入初始浓度为100mg·L-1重金属离子Cd(II)的溶液中，然后在恒温水平振荡器中200r·min-1的条件下进行吸附，吸附时间为2h，测得溶液中Cd(II)离子剩余浓度为0.110mg·L-1，计算得到Cd(II)离子去除率为99.890％。

Claims (10)

1.一种用于吸附重金属离子的硫铝酸盐水泥-膨润土复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，将硫铝酸盐水泥、膨润土和水混合并搅拌均匀，得到混合物；
步骤二，将步骤一得到的混合物密封保存在20±2℃条件下静置7d后，离心、过滤，将分离后的固体进行真空干燥，制得所述用于吸附重金属离子的硫铝酸盐水泥-膨润土复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种用于吸附重金属离子的硫铝酸盐水泥-膨润土复合材料的制备方法，其特征在于，步骤一中，以质量份数计，硫铝酸盐水泥为25～75份，膨润土为25～75份；水的加入量是硫铝酸盐水泥加入量与膨润土加入量总量之和的10倍。
3.根据权利要求2所述的一种用于吸附重金属离子的硫铝酸盐水泥-膨润土复合材料的制备方法，其特征在于，硫铝酸盐水泥和膨润土的质量比为3:1、1:1或1:3。
4.根据权利要求1所述的一种用于吸附重金属离子的硫铝酸盐水泥-膨润土复合材料的制备方法，其特征在于，步骤一中，搅拌速度为1000～1500rpm，搅拌时间为2～3h。
5.根据权利要求1所述的一种用于吸附重金属离子的硫铝酸盐水泥-膨润土复合材料的制备方法，其特征在于，步骤二中，真空干燥的温度为35～40℃。
6.根据权利要求1所述的一种用于吸附重金属离子的硫铝酸盐水泥-膨润土复合材料的制备方法，其特征在于，所述硫铝酸盐水泥为42.5强度等级的低碱度硫铝酸盐水泥。
7.根据权利要求1所述的一种用于吸附重金属离子的硫铝酸盐水泥-膨润土复合材料的制备方法，其特征在于，所述膨润土是钠基膨润土和钙基膨润土中的一种或两种的组合。
8.一种用于吸附重金属离子的硫铝酸盐水泥-膨润土复合材料，其特征在于，所述用于吸附重金属离子的硫铝酸盐水泥-膨润土复合材料通过权利要求1-7任意一项所述的制备方法制得。
9.权利要求8所述的用于吸附重金属离子的硫铝酸盐水泥-膨润土复合材料的应用，其特征在于，所述用于吸附重金属离子的硫铝酸盐水泥-膨润土复合材料用于吸附废水中含有的重金属离子。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述重金属离子包括Cr(III)离子、Pb(II)离子和Cd(II)离子中的一种或几种。
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