CN111097364A - 一种改性凹凸棒石黏土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及污水处理技术领域，具体涉及一种改性凹凸棒石黏土及其制备方法。本发明提供的改性凹凸棒石黏土的制备方法，包括如下步骤:将十六烷基三甲基溴化铵置于乙醇中，搅拌，得到十六烷基三甲基溴化铵乙醇溶液；向十六烷基三甲基溴化铵乙醇溶液中加入凹凸棒石黏土，搅拌，搅拌后超声处理，得到改性凹凸棒石黏土。本发明提供的改性凹凸棒石黏土的制备方法可有效改变凹凸棒石粘土表面结构，提高凹凸棒石粘土对重金属离子锶的吸附性能。

Description

一种改性凹凸棒石黏土及其制备方法
技术领域
本发明涉及污水处理技术领域，具体涉及一种改性凹凸棒石黏土及其制备方法。
背景技术
凹凸棒石黏土是一种含水富镁铝硅酸盐类纤维状黏土矿物，具有独特的链层状晶体结构，矿物学上属于海泡石类，晶粒呈比较细小的棒状形态，且内部比表面积大，矩形内孔孔道较为发达(0.38nm×0.63nm)，能够有效地固定许多金属及其氧化物，同时，凹凸棒石粘土表面富含硅羟基等活性基团，使其具备良好的吸附性能，广泛应用于废水处理、催化等领域。然而天然的凹凸棒石粘度多为中低品位，含有大量的杂质成分，干扰凹凸棒石粘土本身的优良性能，将其直接应用于富含重金属的工业废水处理中会存在吸附性能欠佳的问题，无法达到良好的吸附效果。因此，需要对凹凸棒石粘土进行改性，以改善凹凸棒石黏土吸附重金属的性能。
现有凹凸棒石粘土的改性多采用有机阳离子表面活性剂或者硅烷偶联剂进行改性，然而由于改性剂种类众多，且不同的改性剂对凹凸棒石粘土进行改性后，对重金属离子的吸附效果不同，具有一定的唯一性，因此，针对特定种类的重金属，对凹凸棒石进行改性的工作仍待研究。
以金属锶和铯为例，由于改性凹凸棒石粘土的对重金属离子的吸附性能，与重金属离子的化学形态密切相关，金属铯离子在吸附迁移过程中，其迁移形态为简单阳离子Cs+,而金属锶离子在吸附迁移过程中，其迁移形态多为Sr2+·XH2O,两者迁移形态相差极大。同时，不同离子之间的交换吸附能力又取决于其离子势(离子的电价数与其半径之比)的大小，因此，如何对凹凸棒石粘土进行改性以提高对特定金属锶离子的吸附性能成为一大难点。
发明内容
本发明的目的在于克服现有凹凸棒石粘土的改性方法对于金属锶离子的吸附效果有限，从而提供一种新的改性凹凸棒石黏土及其制备方法。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种改性凹凸棒石黏土的制备方法，包括如下步骤:
1)将十六烷基三甲基溴化铵置于乙醇中，搅拌，得到十六烷基三甲基溴化铵乙醇溶液；
2)向十六烷基三甲基溴化铵乙醇溶液中加入凹凸棒石黏土，搅拌，搅拌后超声处理，得到改性凹凸棒石黏土。
优选的，所述凹凸棒石黏土和十六烷基三甲基溴化铵的质量比为1:0.2-0.6。
优选的，步骤2)中还包括向十六烷基三甲基溴化铵乙醇溶液中加入磷钼酸水溶液的步骤。
优选的，所述磷钼酸水溶液中的磷钼酸与十六烷基三甲基溴化铵的摩尔比为1：1.0-1.2；
所述磷钼酸水溶液中磷钼酸的浓度为0.10-0.20mol/L。
优选的，步骤2)中，向十六烷基三甲基溴化铵乙醇溶液中加入凹凸棒石黏土，搅拌1-3小时，然后加入磷钼酸水溶液，继续搅拌1-3小时，搅拌后超声处理1-3小时，得到改性凹凸棒石黏土。
优选的，步骤1)中，以十六烷基三甲基溴化铵的质量计，乙醇的用量为80-120ml/g；所述乙醇为无水乙醇；
步骤2)中，所述搅拌时间为1-3小时，所述超声时间为1-3小时。
优选的，步骤2)中，所述凹凸棒石黏土为经过纯化处理的凹凸棒石黏土，所述纯化处理包括如下步骤：
a)将凹凸棒石黏土粉碎，加入水和六偏磷酸钠，搅拌，得到混合液；
b)将混合液超声分散后，离心、干燥，得到干燥后的凹凸棒石黏土，将干燥后的凹凸棒石黏土研磨粉碎，得到纯化后的凹凸棒石黏土。
优选的，步骤a)中，所述凹凸棒石黏土与水的质量比为1:40-60，所述凹凸棒石黏土与六偏磷酸钠的质量比为1:0.01-0.05；
步骤b)中，所述纯化后的凹凸棒石黏土的粒径为80-120目。
优选的，步骤2)中，还包括对超声处理后的溶液依次进行过滤，滤饼洗涤、干燥、研磨过筛的步骤。
本发明还提供一种改性凹凸棒石黏土，由上述所述的改性凹凸棒石黏土的制备方法制备得到。
本发明的有益效果：
1)本发明提供的改性凹凸棒石黏土的制备方法，针对重金属离子锶，通过将十六烷基三甲基溴化铵置于乙醇中，搅拌，向十六烷基三甲基溴化铵乙醇溶液中加入凹凸棒石黏土，搅拌，搅拌后超声处理，得到改性凹凸棒石黏土；利用十六烷基三甲基溴化铵特定的活性基团和烷基结构特点，有效改变了凹凸棒石粘土表面结构，增加了凹凸棒石粘土表面吸附活性中心的数量，提高了凹凸棒石粘土对重金属离子锶的吸附性能。同时通过本发明凹凸棒石黏土的改性方法制得的改性凹凸棒石粘土在中性条件下即可对重金属离子锶达到良好的吸附效果。
2)本发明提供的改性凹凸棒石黏土的制备方法，进一步的，步骤2)中，向十六烷基三甲基溴化铵乙醇溶液中加入凹凸棒石黏土，搅拌1-3小时，然后加入磷钼酸水溶液，继续搅拌1-3小时，搅拌后超声处理1-3小时，得到改性凹凸棒石黏土。本发明对凹凸棒石先进行十六烷基三甲基溴化铵改性，然后对十六烷基三甲基溴化铵改性后的凹凸棒石粘土再进行磷钼酸改性，并通过控制所述磷钼酸水溶液中的磷钼酸与十六烷基三甲基溴化铵的摩尔比为1：1.0-1.2，利用十六烷基三甲基溴化铵和磷钼酸特定的活性基团和空间架构，经过二步改性大大提高了凹凸棒石黏土对金属锶的吸附性能。
3)本发明提供的凹凸棒石黏土的改性方法，进一步的，步骤2)中，所述凹凸棒石黏土为经过纯化处理的凹凸棒石黏土，本发明通过特定的纯化步骤有效去除了凹凸棒石粘土中含有的杂质成分，经过纯化的凹凸棒石粘土，再经本发明特定的改性剂进行改性，可有效提高凹凸棒石黏土对金属锶的吸附性能。
具体实施方式
提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。
实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。
实施例1
一种改性凹凸棒石黏土的制备方法，包括如下步骤:
1)凹凸棒石粘土的纯化：
a)将2g凹凸棒石黏土用粉碎机粉碎，过100目筛，然后将其置于200ml烧杯中，加入80g去离子水和0.06g六偏磷酸钠，磁力搅拌30min，得到混合液；
b)将混合液在超声波仪器中25℃分散1小时，取出后置于离心管中，在3300rpm的速率下离心15min，得到脱水后的凹凸棒石黏土，将脱水后的凹凸棒石黏土置于烘箱中105℃干燥3小时，得到干燥后的凹凸棒石黏土，将干燥后的凹凸棒石黏土研磨粉碎，过100目筛，得到经过纯化处理的凹凸棒石黏土，将经过纯化处理的凹凸棒石黏土置于自封袋中封闭保存，备用；
2)称取0.8g十六烷基三甲基溴化铵，将其置于80ml无水乙醇中，搅拌使十六烷基三甲基溴化铵溶于无水乙醇中，得到十六烷基三甲基溴化铵乙醇溶液；
3)向十六烷基三甲基溴化铵乙醇溶液中加入步骤1)中得到的经过纯化处理的凹凸棒石黏土，搅拌1小时，搅拌后进行超声处理(所述超声处理温度为25℃，所述超声时间为2小时)，将超声处理后的溶液进行抽滤，滤饼用去离子水洗涤，直至无Br-检出，将洗涤后的滤饼真空干燥，干燥后研磨，过100目筛，得到改性凹凸棒石黏土。
实施例2
一种改性凹凸棒石黏土的制备方法，包括如下步骤:
1)凹凸棒石粘土的纯化：
a)将2g凹凸棒石黏土用粉碎机粉碎，过100目筛，然后将其置于200ml烧杯中，加入80g去离子水和0.06g六偏磷酸钠，磁力搅拌30min，得到混合液；
b)将混合液在超声波仪器中25℃分散1小时，取出后置于离心管中，在3300rpm的速率下离心15min，得到脱水后的凹凸棒石黏土，将脱水后的凹凸棒石黏土置于烘箱中105℃干燥3小时，得到干燥后的凹凸棒石黏土，将干燥后的凹凸棒石黏土研磨粉碎，过100目筛，得到经过纯化处理的凹凸棒石黏土，将经过纯化处理的凹凸棒石黏土置于自封袋中封闭保存，备用；
2)称取0.8g十六烷基三甲基溴化铵，将其置于80ml无水乙醇中，搅拌使十六烷基三甲基溴化铵溶于无水乙醇中，得到十六烷基三甲基溴化铵乙醇溶液；
3)向十六烷基三甲基溴化铵乙醇溶液中加入步骤1)中得到的经过纯化处理的凹凸棒石黏土，搅拌1小时，然后加入磷钼酸水溶液(所述磷钼酸水溶液中磷钼酸的浓度为0.10mol/L，所述磷钼酸水溶液中的磷钼酸与十六烷基三甲基溴化铵的摩尔比为1：1)，继续搅拌1小时，搅拌后进行超声处理(所述超声处理温度为25℃，所述超声时间为2小时)，将超声处理后的溶液进行抽滤，滤饼用去离子水洗涤，直至无Br-检出，将洗涤后的滤饼真空干燥，干燥后研磨，过100目筛，得到改性凹凸棒石黏土。
实施例3
一种改性凹凸棒石黏土的制备方法，包括如下步骤:
1)称取0.8g十六烷基三甲基溴化铵，将其置于80ml无水乙醇中，搅拌使十六烷基三甲基溴化铵溶于无水乙醇中，得到十六烷基三甲基溴化铵乙醇溶液；
2)向十六烷基三甲基溴化铵乙醇溶液中加入2g凹凸棒石黏土，搅拌3小时，然后加入磷钼酸水溶液(所述磷钼酸水溶液中磷钼酸的浓度为0.20mol/L，所述磷钼酸水溶液中的磷钼酸与十六烷基三甲基溴化铵的摩尔比为1：1.2)，继续搅拌3小时，搅拌后进行超声处理(所述超声处理温度为25℃，所述超声时间为3小时)，将超声处理后的溶液进行抽滤，滤饼用去离子水洗涤，直至无Br-检出，将洗涤后的滤饼真空干燥，干燥后研磨，过100目筛，得到改性凹凸棒石黏土。
实施例4
一种改性凹凸棒石黏土的制备方法，包括如下步骤:
1)凹凸棒石粘土的纯化：
a)将2g凹凸棒石黏土用粉碎机粉碎，过100目筛，然后将其置于200ml烧杯中，加入120g去离子水和0.02g六偏磷酸钠，磁力搅拌30min，得到混合液；
b)将混合液在超声波仪器中23℃分散1.5小时，取出后置于离心管中，在3300rpm的速率下离心15min，得到脱水后的凹凸棒石黏土，将脱水后的凹凸棒石黏土置于烘箱中108℃干燥3小时，得到干燥后的凹凸棒石黏土，将干燥后的凹凸棒石黏土研磨粉碎，过80目筛，得到经过纯化处理的凹凸棒石黏土，将经过纯化处理的凹凸棒石黏土置于自封袋中封闭保存，备用；
2)称取0.4g十六烷基三甲基溴化铵，将其置于32ml无水乙醇中，搅拌使十六烷基三甲基溴化铵溶于无水乙醇中，得到十六烷基三甲基溴化铵乙醇溶液；
3)向十六烷基三甲基溴化铵乙醇溶液中加入步骤1)中得到的经过纯化处理的凹凸棒石黏土，搅拌1小时，搅拌后进行超声处理(所述超声处理温度为30℃，所述超声时间为1小时)，将超声处理后的溶液进行抽滤，滤饼用去离子水洗涤，直至无Br-检出，将洗涤后的滤饼真空干燥，干燥后研磨，过110目筛，得到改性凹凸棒石黏土。
实施例5
一种改性凹凸棒石黏土的制备方法，包括如下步骤:
1)凹凸棒石粘土的纯化：
a)将2g凹凸棒石黏土用粉碎机粉碎，过100目筛，然后将其置于200ml烧杯中，加入100g去离子水和0.1g六偏磷酸钠，磁力搅拌30min，得到混合液；
b)将混合液在超声波仪器中30℃分散1.5小时，取出后置于离心管中，在3300rpm的速率下离心15min，得到脱水后的凹凸棒石黏土，将脱水后的凹凸棒石黏土置于烘箱中106℃干燥3小时，得到干燥后的凹凸棒石黏土，将干燥后的凹凸棒石黏土研磨粉碎，过120目筛，得到经过纯化处理的凹凸棒石黏土，将经过纯化处理的凹凸棒石黏土置于自封袋中封闭保存，备用；
2)称取1.2g十六烷基三甲基溴化铵，将其置于144ml无水乙醇中，搅拌使十六烷基三甲基溴化铵溶于无水乙醇中，得到十六烷基三甲基溴化铵乙醇溶液；
3)向十六烷基三甲基溴化铵乙醇溶液中加入步骤1)中得到的经过纯化处理的凹凸棒石黏土，搅拌3小时，搅拌后进行超声处理(所述超声处理温度为23℃，所述超声时间为3小时)，将超声处理后的溶液进行抽滤，滤饼用去离子水洗涤，直至无Br-检出，将洗涤后的滤饼真空干燥，干燥后研磨，过110目筛，得到改性凹凸棒石黏土。
对比例1
一种改性凹凸棒石黏土的制备方法，包括如下步骤:
1)凹凸棒石粘土的纯化：
a)将2g凹凸棒石黏土用粉碎机粉碎，过100目筛，然后将其置于200ml烧杯中，加入80g去离子水和0.06g六偏磷酸钠，磁力搅拌30min，得到混合液；
b)将混合液在超声波仪器中25℃分散1小时，取出后置于离心管中，在3300rpm的速率下离心15min，得到脱水后的凹凸棒石黏土，将脱水后的凹凸棒石黏土置于烘箱中105℃干燥3小时，得到干燥后的凹凸棒石黏土，将干燥后的凹凸棒石黏土研磨粉碎，过100目筛，得到经过纯化处理的凹凸棒石黏土，将经过纯化处理的凹凸棒石黏土置于自封袋中封闭保存，备用；
2)称取0.76g十二烷基苯磺酸钠，将其置于80ml无水乙醇中，搅拌使十二烷基苯磺酸钠溶于无水乙醇中，得到十二烷基苯磺酸钠乙醇溶液；
3)向十二烷基苯磺酸钠乙醇溶液中加入步骤1)中得到的经过纯化处理的凹凸棒石黏土，搅拌1小时，然后加入磷钼酸水溶液(所述磷钼酸水溶液中磷钼酸的浓度为0.10mol/L，所述磷钼酸水溶液中的磷钼酸与十二烷基苯磺酸钠的摩尔比为1：1)，继续搅拌1小时，搅拌后进行超声处理(所述超声处理温度为25℃，所述超声时间为2小时)，将超声处理后的溶液进行抽滤，滤饼用去离子水洗涤，直至无Br-检出，将洗涤后的滤饼真空干燥，干燥后研磨，过100目筛，得到改性凹凸棒石黏土。
效果验证
1、改性凹凸棒石黏土对Sr2+的吸附实验
分别称取0.1g通过上述实施例1-5和对比例1得到的改性凹凸棒石黏土和未经改性的原状凹凸棒石黏土，并分别放入7个100mL锥形瓶中，向每个锥形瓶中加入20mL浓度为20mg/L的氯化锶溶液，使用0.1mol/L盐酸和0.1mol/L氢氧化钠溶液调节每个锥形瓶中溶液pH值至中性，在30℃、200rpm下恒温振荡器中震荡24h后，取出每个锥形瓶中的溶液，分别使用离心机在5000rpm的速率下离心5min，取上层清液过0.22μm孔径滤膜，得到过滤后的上层清液，使用ICP-AES(电感耦合原子发射光谱仪)测定过滤后的上层清液中Sr2+的浓度，并计算改性凹凸棒石黏土和未经改性的原状凹凸棒石黏土对Sr2+的吸附率和吸附量，结果如表1所示。
Figure BDA0002350887200000071
Figure BDA0002350887200000072
式中：R—吸附率，％。
Qt—单位吸附量，mg/g；
C0—金属离子初始浓度，mg/L；
Ct—吸附后金属离子浓度，mg/L；
V—吸附溶液的体积，L；
m—改性凹凸棒石粘土或原状凹凸棒石粘土的质量，g。
表1改性凹凸棒石黏土对溶液中Sr2+的吸附效果
Figure BDA0002350887200000073
Figure BDA0002350887200000081
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种改性凹凸棒石黏土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤:
1)将十六烷基三甲基溴化铵置于乙醇中，搅拌，得到十六烷基三甲基溴化铵乙醇溶液；
2)向十六烷基三甲基溴化铵乙醇溶液中加入凹凸棒石黏土，搅拌，搅拌后超声处理，得到改性凹凸棒石黏土。
2.根据权利要求1所述的改性凹凸棒石黏土的制备方法，其特征在于，所述凹凸棒石黏土和十六烷基三甲基溴化铵的质量比为1:0.2-0.6。
3.根据权利要求1或2所述的改性凹凸棒石黏土的制备方法，其特征在于，步骤2)中还包括向十六烷基三甲基溴化铵乙醇溶液中加入磷钼酸水溶液的步骤。
4.根据权利要求1-3任一项所述的改性凹凸棒石黏土的制备方法，其特征在于，所述磷钼酸水溶液中的磷钼酸与十六烷基三甲基溴化铵的摩尔比为1：1.0-1.2；
所述磷钼酸水溶液中磷钼酸的浓度为0.10-0.20mol/L。
5.根据权利要求3或4所述的改性凹凸棒石黏土的制备方法，其特征在于，步骤2)中，向十六烷基三甲基溴化铵乙醇溶液中加入凹凸棒石黏土，搅拌1-3小时，然后加入磷钼酸水溶液，继续搅拌1-3小时，搅拌后超声处理1-3小时，得到改性凹凸棒石黏土。
6.根据权利要求1-5任一项所述的改性凹凸棒石黏土的制备方法，其特征在于，步骤1)中，以十六烷基三甲基溴化铵的质量计，乙醇的用量为80-120ml/g；所述乙醇为无水乙醇；
步骤2)中，所述搅拌时间为1-3小时，所述超声时间为1-3小时。
7.根据权利要求1-6任一项所述的改性凹凸棒石黏土的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述凹凸棒石黏土为经过纯化处理的凹凸棒石黏土，所述纯化处理包括如下步骤：
a)将凹凸棒石黏土粉碎，加入水和六偏磷酸钠，搅拌，得到混合液；
b)将混合液超声分散后，离心、干燥，得到干燥后的凹凸棒石黏土，将干燥后的凹凸棒石黏土研磨粉碎，得到纯化后的凹凸棒石黏土。
8.根据权利要求7所述的改性凹凸棒石黏土的制备方法，其特征在于，步骤a)中，所述凹凸棒石黏土与水的质量比为1:40-60，所述凹凸棒石黏土与六偏磷酸钠的质量比为1:0.01-0.05；
步骤b)中，所述纯化后的凹凸棒石黏土的粒径为80-120目。
9.根据权利要求1-8任一项所述的改性凹凸棒石黏土的制备方法，其特征在于，步骤2)中，还包括对超声处理后的溶液依次进行过滤，滤饼洗涤、干燥、研磨过筛的步骤。
10.一种改性凹凸棒石黏土，其特征在于，由权利要求1-9任一项所述的改性凹凸棒石黏土的制备方法制备得到。
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