CN112717887A - 磁控纳米马达集群凝胶法制备多孔吸附材料的方法及装置 - Google Patents
磁控纳米马达集群凝胶法制备多孔吸附材料的方法及装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种磁控纳米马达集群凝胶法制备多孔吸附材料的方法，该方法是在700~1500℃冶炼熔渣中加入醇‑酸有机混合物充分混合反应，反应完成后将反应液、包硅的磁性微纳米粒子溶液混合均匀后，再将混合物添加到表面活性剂溶液中，在磁场存在条件下、80‑180℃反应0.5~24h后，室温~30℃下陈化16‑24h，收集固体加热烘干，即得多孔吸附材料；本发明方法克服了目前熔渣利用率低，制备吸附材料功能单一、吸附容量低的难题，实现固体废物资源的最大化利用，具有良好的环境效益、社会效益和经济效益。
Description
技术领域
本发明公开一种磁性纳米马达与冶炼熔渣制备高品质多孔吸附材料的方法，属于固体废物资源化利用制备吸附材料的技术领域。
背景技术
高炉渣是高炉冶炼过程中所产生的主要副产品之一，其主要成分为CaO、SiO2、MgO和 Al2O3，以及少量的FeO、MnO、Na2O、K2O和S等，在一些特殊矿石的冶炼过程中还存在TiO2、V2O5等。每冶炼1吨生铁要向环境中排放350kg左右的高炉渣，排放温度一般在1450℃左右，每吨高炉熔渣所蕴含的显热约为1.7GJ，其热值相当于58kg标准煤，属于高品质的余热资源。高炉熔渣不仅蕴含大量显热，若处理恰当还是很好的水泥生产原材料。近年来对冶炼熔渣的综合利用引起越来越多国家的重视，将高炉熔渣制备成轻质砖、无机纤维、泡沫微晶玻璃板等材料，高炉熔渣变废为宝，既可以实现冶金熔渣的资源化利用，也可解决熔渣堆放带来的环境问题。
当前最主要的熔渣处理工艺为水淬急冷形成玻璃体，作为生产水泥的原材料。然而，传统水淬工艺只注重炉渣品质，没有任何热量回收，且存在水耗高、向环境中排放SO2、H2S等气体污染环境。
对高炉渣进行综合利用，目前需要完成三个任务：一是对炉渣显热进行高效回收；二是在回收显热的同时保证炉渣产品的高附加值；三是避免对周围环境产生影响；冶金熔渣具有疏松多孔、比表面积大、具有一定的吸附能力，且熔渣中含有CaO、Al2O3、Fe2O3、MgO、MnO和TiO2等金属氧化物而具有较高的催化活性。冶炼熔渣中含有铁、铅、铬等重金属离子，若将冶金熔渣直接用作吸附材料，不仅效果差而且还会带来二次污染。
目前，纳米材料已经得到广泛研究，并且常用于治理环境污染。若将一些纳米材料与冶金熔渣结合，充分利用冶炼熔渣中的显热，可制备出具有纳米结构的高品质吸附材料。利用磁性纳米粒子的磁场可控性质，采用溶胶-凝胶法使磁性纳米粒子在溶液进行自运动和自组装，促进溶液中的水解反应，生成具有规则多孔的吸附材料，实现资源再生，具有广阔的应用前景和重大意义。
发明内容
本发明的目的提供一种磁控纳米马达集群凝胶法制备多孔吸附材料的方法，以廉价的冶炼熔渣和具有磁性的纳米粒子作为原料，采用溶胶-凝胶法，在冶炼熔渣中添加一定的醇类酸类有机物，生成金属醇盐、有机金属盐与包硅的磁性微纳米粒子在运动磁场下充分混合，与表面活性剂溶液发生水解反应后，进行陈化、干燥，最后冷却得到孔径规则、性能优异的高品质多孔吸附材料；即在700~1500℃冶炼熔渣中加入醇-酸有机混合物充分混合反应，反应完成后将反应液、包硅的磁性微纳米粒子溶液混合均匀后，再将混合物添加到表面活性剂溶液中，在磁场存在条件下、80~180℃反应0.5~24h后，室温~30℃下陈化16~24h，收集固体加热烘干，即得多孔吸附材料。
所述冶炼熔渣和醇-酸有机混合物的质量比为1:1~5:1；表面活性剂溶液、包硅的磁性微纳米粒子溶液、反应液的体积比为1~10:1~4:1~5。
所述冶炼熔渣包括铜冶炼熔渣、钢铁冶炼熔渣、铝冶炼熔渣、锡冶炼熔渣等，经过反应后生成的金属醇盐、有机金属盐和包硅的磁性微纳米粒子溶液经空气喷射粒化后粒径范围为5~30mm。
所述醇-酸有机混合物是醇和酸按体积比1~7:10~1的比例混合制得，其中醇为二甘醇、三甘醇、松油醇中的一种或几种；酸为对甲苯磺酸、取代的苯乙酸、苯甲酸中的一种或几种；
所述的表面活性剂为含硅或高分子的可聚合水解的表面活性剂，作为结构导向剂以形成纳米多孔复合材料，表面活性剂为聚氧丙烯聚氧乙烯共聚物、脂肪醇聚氧乙烯醚、烷基醇酰胺聚氧乙烯醚中的一种或几种，表面活性剂溶液的质量浓度为5%~30%。
所述包硅的磁性微纳米粒子溶液是将磁性纳米粒子制成质量浓度3~5%的水分散液，按体积比1:5~8:0.25~0.4的比例将磁性纳米粒子水分散液、乙醇、浓氨水进行充分混合后，在N2保护条件下，按磁性纳米粒子水分散液: 正硅酸四乙酯体积比为30~10:1的比例分次加入正硅酸四乙酯，每次充分搅拌30min，制得包硅的磁性微纳米粒子溶液；其中磁性纳米粒子为四氧化三铁、钴、镍的一种或几种。
所述外加磁场为恒定磁场、交变磁场、脉冲磁场中的一种或几种；交变磁场的周期为1~12min；脉冲磁场的脉冲宽度为2~8min，频率1~160Hz。
本发明充分利用冶炼熔渣及其余热，减少废水、废气、废渣和烟尘的产生，减少能耗；同时利用冶金熔渣制备出具有纳米结构的功能性吸附材料，具有多孔、比表面积大、吸附力强的特点；反应过程中冶炼熔渣既是原料，还作为溶剂、热媒；冶炼熔渣的不当处理会造成环境污染和资源浪费，将冶炼熔渣与目前研究和应用较多的磁性纳米粒子相结合，制备高品质的吸附材料不仅可以做到资源再生的效果，还可以创造巨大的环境效益、社会效益和经济效益。
本发明中为了防止磁性纳米粒子在反应过程中发生氧化而导致磁性降低，在磁性纳米粒子与硅烷剂反应中通入N2进行保护，气体通入速率为1~5L/min。
所述金属熔盐、磁性纳米粒子、表面活性剂采用喷射粒化的方式在反应器入口进入，使物料进行充分预混匀，使反应溶液充分溅射到反应器中。
本发明另一个目的是提供上述方法的装置，其包括文丘里喷嘴、冷凝装置、反应器、磁场发生器、醇-酸有机混合物贮存器、混合反应器Ⅰ、氮气瓶、混合反应器Ⅱ，氮气瓶通过压力控制开关与混合反应器Ⅱ上的N2进气口连通，混合反应器Ⅱ顶部开有进料口Ⅱ，混合反应器Ⅱ通过泵与文丘里喷嘴的进料口Ⅰ连接，文丘里喷嘴上还设置有喷管高速气流入口、表面活性剂溶液进料口、反应液进料口，文丘里喷嘴的喷料口设置在反应器顶部并与其连通，反应器底部为锥形出料口，出料口下方设置有带出口的储存室，储存室内设置有风扇，反应器的排气口通过冷凝装置与醇-酸有机混合物贮存器连接，醇-酸有机混合物贮存器通过泵与混合反应器Ⅰ连通，混合反应器Ⅰ顶部设置有冶炼熔渣进料口，混合反应器Ⅰ通过泵与文丘里喷嘴的反应液进料口连通，磁场发生器设置在反应器上且磁场作用在反应腔体内，反应器的壳体内设置有加热保温层，文丘里喷嘴的喷管高速气流入口与风机连接，混合反应器Ⅰ下部设置有过滤出口、废渣排出口。
所述混合反应器Ⅰ、混合反应器Ⅱ内分别设置有搅拌器，磁场发生器为磁感应线圈。
所述锥形出料口上设置有阀门，表面活性剂溶液进料口、反应液进料口、进料口Ⅰ、排气口处均设置阀门。
所加入的高沸点醇类和有机酸类有机物以液态形式充入高温液态熔渣中，在反应器中，高温液态熔渣与有机醇、有机酸充分混合反应形成金属醇盐和有机金属盐；磁场反应器内生成高温的有机醇或酸性气体可冷却返回至有机醇溶液储液罐中。
所述表面活性剂的作用（1）表面活性剂具有较好的表面活性，在原料表面双电子层排列而包围空气，形成气泡，最后在蒸发形成多孔道的吸附材料；（2）含硅或高分子的表面活性剂含有含硅羟基或碳碳叁键、双键，可与金属醇盐中的羟基进一步发生水解缩合反应，促进纳米复合材料的生成，可聚合表面活性剂在其中作为结构导向剂和单体；（3）在磁性纳米粒子溶液氛围中加入表面活性剂，可以降低磁性粒子在其水溶液中的运动阻力，对在运动磁场中进行自运动和组装有促进作用。
所述外加运动磁场的作用：（1）外加运动磁场控制磁性纳米粒子在反应溶液中的运动，以形成具有规则的多孔吸附材料；（2）外加磁场的控制运动可促进包裹二氧化硅的磁性粒子与金属醇盐、表面活性剂之间发生水解缩合反应，形成多孔溶胶体系。
本装置还包括气体冷凝装置，排气口与气体冷凝装置相连，冷却得到醇类酸类有机液体，回流至醇-酸有机混合物贮存器中循环利用。
在两个混合反应器内，分别发生N2保护磁性纳米粒子包裹二氧化硅反应、冶炼熔盐与醇-酸有机混合物反应生成金属熔盐、有机金属盐的过程；表面活性剂溶液先从表面活性剂进料口进入文丘里喷管喉部到反应器内，接着风机将空气输送到喷管高速气流入口，同时产生的二氧化硅磁性纳米粒子、金属醇盐、有机金属盐分别从两混合物进料口进入文丘里喷管喉部，高速气流在喷管内部产生强烈湍流作用，将液态混合溶液破形成液滴，同时液滴状的金属醇盐物质与纳米粒子溶液瞬间混合，混合后的物料通过喷管射流进入反应器；反应器内包硅的磁性纳米粒子与有机金属盐、金属醇盐与反应器内的表面活性剂混合后发生水解反应，并在外加运动磁场的条件下，磁性纳米粒子在溶液中进行运动反应；排气口上连有气体冷凝装置，流出的气体通过冷凝挥发性有机物回流到初始混合反应器内循环使用。
在反应室外加运动磁场的条件下，磁性纳米粒子可在溶液中充分的运动，包裹了二氧化硅层的磁性纳米粒子富含硅羟基，与溶液中表面活性剂中的羟基、金属醇盐发生完全的水解反应，在形成介孔分子筛的过程中，溶液中的有机金属盐原位生成在在孔壁表面和孔壁内，使得到的介孔材料热稳定高、离子交换能力强，可具有一定的酸催化性能；在水解、陈化一段时间后，对得到的吸附介孔材料进行干燥；气体鼓风采用小型扇叶鼓风，风力的大小根据反应室内的压强进行自动调整，多余的气体将挥发性气体带出到气体冷凝装置中，维持反应器内部的压力在1MPa。
反应器内壁最好由耐高温和耐腐蚀材料制造，反应过程中产生的气体、液体、固体会对反应器内壁造成一定程度的腐蚀，使用耐腐蚀的材料可增加装置的使用寿命。
本装置可用于连续或间歇性制备多孔吸附材料。
本发明的优点和效果如下：
（1）本发明将出炉温度在700~1500℃的冶炼熔渣与醇-酸有机混合物、磁性纳米粒子、表面活性剂混合制备多孔吸附材料，最大限度地利用熔渣余热以及熔渣中的金属成分，形成的金属醇盐与表面活性剂中的羟基以及硅烷剂表面的羟基可发生水解反应，生成的有机金属盐可以使介孔吸附材料的热稳定性更高，离子交换能力更强，吸附能力越强；
（2）本发明使用冶炼熔渣与磁性纳米粒子为原料集群凝胶法制备高质量孔径规则的吸附材料，实现了利用废物资源利用再生的有效途径；
（3）本发明在表面活性剂、包硅磁性纳米粒子、金属醇盐、有机金属盐发生反应的过程中，采用外加运动磁场的方式，使其中的磁性纳米粒子在溶液中主动运动，有效增大水解反应有效程度，减少反应时间，同时还能在介孔吸附材料内部形成致密、通常、规则的孔道，增大吸附材料的比表面积，大大提高其吸附容量；
（4）本发明中添加的的表面活性剂，既能为介孔形成发生的水解反应提供模板，还能减小磁性纳米粒子在溶液中的运动阻力；本发明中添加的醇类、酸类有机物可使冶炼熔渣生成金属醇盐与有机金属盐，参与水解反应形成具有多种活性位点、热稳定性高，离子交换能力强的介孔吸附材料；本发明中包硅的磁性微纳米粒子，既可有效地在运动磁场下进行自主运动，硅表面的羟基还可参与水解反应，使纳米粒子修饰在介孔道之中，可具备一定的催化性能，此外，包裹二氧化硅可以时磁性粒子不易氧化而失去磁性。
（5）本发明中采用喷射粒化混合和运动磁场的方式，使反应体系达到均一状态，制备出的多孔吸附材料孔道规则、粒径均匀、品质高且无需再进行破碎；
（6）本发明采用磁性纳米粒子与高炉冶炼熔渣充分混合制备高品质多孔吸附材料的技术，反应时间短，还可充分利用冶炼熔渣的余热和其中有效活性金属成分，使生成的有机金属盐和金属醇盐在与表面活性剂、硅羟基发生水解反应的同时可大部分原位反应在孔道中，生成具有多种活性位点的吸附材料，克服目前熔渣利用率低，制备吸附材料功能单一、吸附容量低的难题，实现固体废物资源的最大化利用。
附图说明
图1是本发明装置结构示意图；
图中：1-喷管高速气流入口；2-表面活性剂溶液进料口；3-反应液进料口；4-进料口Ⅰ；5-文丘里喷管；6-排气口；7-阀门；8-冷凝装置；9-出口；10-反应器；11-加热保温层；12-壳体；13-磁场发生器；14-风扇；15-储存室；16-风机；17-醇-酸有机混合物贮存器；18-冶炼熔渣进料口；19-混合反应器Ⅰ；20-搅拌器；21-进料口Ⅱ；22-氮气瓶；23-压力控制开关；24-泵；25-混合反应器Ⅱ；26-醇-酸有机混合物进料口；27-N2进气口；28-过滤出口；29-废渣排出口。
具体实施方式
下面通过附图和实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明保护范围不局限于所述内容。
实施例1：本磁性纳米粒子与冶炼熔渣集群凝胶法制备高品质吸附材料的方法，具体内容如下：
1、如图1所示，本磁控纳米马达集群凝胶法制备多孔吸附材料的方法的装置包括文丘里喷嘴5、冷凝装置8、反应器10、磁场发生器13、醇-酸有机混合物贮存器17、混合反应器Ⅰ19、氮气瓶22、混合反应器Ⅱ25，氮气瓶22通过压力控制开关23与混合反应器Ⅱ25上的N2进气口27连通，混合反应器Ⅱ25顶部开有进料口Ⅱ21，混合反应器Ⅱ25内分别设置有搅拌器，混合反应器Ⅱ25通过泵与文丘里喷嘴5的进料口Ⅰ4连接，文丘里喷嘴5上还设置有喷管高速气流入口1、表面活性剂溶液进料口2、反应液进料口3，文丘里喷嘴5的喷料口设置在反应器10顶部并与其连通，反应器10底部为锥形出料口，出料口下方设置有带出口9的储存室15，储存室15内设置有风扇14，反应器10的排气口6通过冷凝装置8与醇-酸有机混合物贮存器17连接，醇-酸有机混合物贮存器17通过泵与混合反应器Ⅰ19的醇-酸有机混合物进料口26连通，混合反应器Ⅰ19顶部设置有冶炼熔渣进料口18，混合反应器Ⅰ19内分别设置有搅拌器20，混合反应器Ⅰ19下部设置有过滤出口28、废渣排出口29，混合反应器Ⅰ19通过泵与文丘里喷嘴5的反应液进料口3连通，磁场发生器为磁感应线圈，其设置在反应器10上且磁场作用在反应腔体内，反应器10的壳体12内设置有加热保温层11，文丘里喷嘴5的喷管高速气流入口1与风机16连接；锥形出料口上设置有阀门7，表面活性剂溶液进料口2、反应液进料口3、进料口Ⅰ4、排气口6处均设置阀门；
使用时，将50nm磁性四氧化三铁纳米粒子制成质量浓度5%的水分散液，按体积比1:5:0.25的比例将磁性纳米粒子水分散液、乙醇、浓氨水进行充分混合后制得混合物，按磁性纳米粒子水分散液: 正硅酸四乙酯体积比为10:1的比例，将混合物放入混合反应器Ⅱ25中，将N2从进气口27通入反应器25中吹扫10min，然后分3次加入正硅酸四乙酯，每次充分搅拌30min，制得包硅的磁性微纳米粒子溶液；同时将某钢铁厂生产的1400℃-1480℃的熔渣从冶炼熔渣进料口18放入混合反应器Ⅰ19中，醇-酸有机混合物进料口26通过泵打入三甘醇和对甲苯磺酸（体积比1:10）混合物，冶炼熔渣和醇-酸有机混合物按质量比5:1发生混合并反应30min；在混合反应器Ⅰ19、混合反应器Ⅱ25发生反应的同时，将质量浓度10%的聚氧丙烯聚氧乙烯共聚物表面活性剂溶液从表面活性剂溶液进料口2通入反应器10内，然后将制备的包硅的磁性微纳米粒子溶液与反应液通过泵输送到进料口Ⅰ4、反应液进料口3（经过滤出口28）中，以及风机16输送流速为50m/s的气流通过喷管高速气流入口1进入文丘里喉管中瞬间混合后从文丘里喷管5中喷射出后进入反应器10中，反应器外层的磁感应线圈施加不同的电压，在不同温度和水解时间下发生水解反应，反应一段时间后产生的挥发性有机物气体通过排气口6进入冷凝装置8进行冷凝回流到醇-酸有机混合物贮存器17中进行再次利用；水解反应完成后对生成物进行陈化一段时间，打开阀门7排放出制备的多孔材料至储存室15中进行干燥，调节外层温度，通过调节扇14控制干燥速度和维持反应器内部的压力在1MPa。
当加入的表面活性剂溶液、包硅的磁性微纳米粒子溶液、反应液的体积比为1:1:5，喷射后液滴粒径为30mm，施加的电压为交流电，电流为8A，形成的外加磁场为交变磁场，周期为5min，水解反应温度为180℃，反应时间2h，陈化温度为室温，时间24h，干燥温度60℃，时间6h，生成的多孔吸附材料对水溶液中起始浓度为500mg/L的重金属镉的去除率为86%，对锌的去除率为88%，对铅的去除率为93%；
当加入的表面活性剂溶液、包硅的磁性微纳米粒子溶液、反应液的体积比为1:1:4，喷射后液滴粒径为25mm，施加的电压为交流电，电流为8A，形成的外加磁场为交变磁场，周期为5min，水解反应温度为180℃，反应时间3h，陈化温度为室温，时间24h，干燥温度60℃，时间6h，生成的多孔吸附材料对水溶液中起始浓度为500mg/L的重金属镉的去除率为88%，对锌的去除率为90%，对铅的去除率为95%；
当加入的表面活性剂溶液、包硅的磁性微纳米粒子溶液、反应液的体积比为1:1:3，喷射后液滴粒径为20mm，施加的电压为交流电，电流为8A，形成的外加磁场为交变磁场，周期为5min，水解反应温度为180℃，反应时间4h，陈化温度为室温，时间24h，干燥温度60℃，时间6h，生成的多孔吸附材料对水溶液中起始浓度为500mg/L的重金属镉的去除率为90%，对锌的去除率为93%，对铅的去除率为98%。
实施例2：本磁性纳米粒子与冶炼熔渣集群凝胶法制备高品质吸附材料的方法如下：
本实施例装置结构同实施例1；
使用时，将20nm磁性四氧化三铁纳米粒子制成质量浓度3%的水分散液，按体积比1:6:0.3的比例将磁性纳米粒子水分散液、乙醇、浓氨水进行充分混合后制得混合物，按磁性纳米粒子水分散液: 正硅酸四乙酯体积比为20:1的比例，将混合物放入混合反应器Ⅱ25中，将N2从进气口27通入反应器25中吹扫10min，然后分3次加入正硅酸四乙酯，每次充分搅拌30min，制得包硅的磁性微纳米粒子溶液；同时将某铝冶炼厂生产的1400℃-1450℃的熔渣从冶炼熔渣进料口18放入混合反应器Ⅰ19中，醇-酸有机混合物进料口26通过泵打入二甘醇和2,4,6-三甲基苯乙酸（体积比3:5）混合物，冶炼熔渣和醇-酸有机混合物按质量比2:1发生混合并反应60min；在混合反应器Ⅰ19、混合反应器Ⅱ25发生反应的同时，将质量浓度15%的脂肪醇聚氧乙烯醚表面活性剂溶液从表面活性剂溶液进料口2通入反应器10内，然后将制备的包硅的磁性微纳米粒子溶液与反应液通过泵输送到进料口Ⅰ4、反应液进料口3中，以及风机16输送流速为55m/s的气流通过喷管高速气流入口1进入文丘里喉管中瞬间混合后从文丘里喷管5中喷射出后进入反应器10中，反应器外层的磁感应线圈施加不同的电压，在不同温度和水解时间下发生水解反应，反应一段时间后产生的挥发性有机物气体通过排气口6进入冷凝装置8进行冷凝回流到醇-酸有机混合物贮存器17中进行再次利用；水解反应完成后对生成物进行陈化一段时间，打开阀门7排放出制备的多孔材料至储存室15中进行干燥，调节外层温度，通过调节扇14控制干燥速度和维持反应器内部的压力在1MPa。
当加入的表面活性剂溶液、包硅的磁性微纳米粒子溶液、反应液的体积比为1:1:1，喷射后液滴粒径为20mm，施加的电压为交流电，电流为10A，形成的外加磁场为交变磁场，周期为3min，水解反应温度为120℃，反应时间4h，陈化温度为30℃，时间16h，干燥温度80℃，时间10h，生成的多孔吸附材料对水溶液中起始浓度为500mg/L的重金属铬的去除率为85%，对钛的去除率为83%，对砷的去除率为88%；
当加入的表面活性剂溶液、包硅的磁性微纳米粒子溶液、反应液的体积比为2:1:1，喷射后液滴粒径为18mm，施加的电压为交流电，电流为8A，形成的外加磁场为交变磁场，周期为3min，水解反应温度为120℃，反应时间5h，陈化温度为30℃，时间16h，干燥温度80℃，时间10h，生成的多孔吸附材料对水溶液中起始浓度为500mg/L的重金属铬的去除率为88%，对钛的去除率为85%，对砷的去除率为90%；
当加入的表面活性剂溶液、包硅的磁性微纳米粒子溶液、反应液的体积比为3:1:1，喷射后液滴粒径为16mm，施加的电压为交流电，电流为6A，形成的外加磁场为交变磁场，周期为3min，水解反应温度为120℃，反应时间6h，陈化温度为30℃，时间16h，干燥温度80℃，时间10h，生成的多孔吸附材料对水溶液中起始浓度为500mg/L的重金属铬的去除率为90%，对钛的去除率为88%，对砷的去除率为93%。
实施例3：本磁性纳米粒子与冶炼熔渣集群凝胶法制备高品质吸附材料的方法如下：
本实施例装置结构同实施例1；
使用时，将10nm磁性四氧化三铁纳米粒子制成质量浓度4%的水分散液，按体积比1:8:0.4的比例将磁性纳米粒子水分散液、乙醇、浓氨水进行充分混合后制得混合物，按磁性纳米粒子水分散液: 正硅酸四乙酯体积比为30:1的比例，将混合物放入混合反应器Ⅱ25中，将N2从进气口27通入反应器25中吹扫10min，然后分3次加入正硅酸四乙酯，每次充分搅拌30min，制得包硅的磁性微纳米粒子溶液；同时将某铜冶炼厂生产的1350℃-1450℃的熔渣从冶炼熔渣进料口18放入混合反应器Ⅰ19中，醇-酸有机混合物进料口26通过泵打入松油醇和2,4-二氯苯乙酸（体积比5:2）混合物，冶炼熔渣和醇-酸有机混合物按质量比1:1发生混合并反应120min；在混合反应器Ⅰ19、混合反应器Ⅱ25发生反应的同时，将质量浓度20%的烷基醇酰胺聚氧乙烯醚表面活性剂溶液从表面活性剂溶液进料口2通入反应器10内，然后将制备的包硅的磁性微纳米粒子溶液与反应液通过泵输送到进料口Ⅰ4、反应液进料口3中，以及风机16输送流速为60m/s的气流通过喷管高速气流入口1进入文丘里喉管中瞬间混合后从文丘里喷管5中喷射出后进入反应器10中，反应器外层的磁感应线圈施加不同的电压，在不同温度和水解时间下发生水解反应，反应一段时间后产生的挥发性有机物气体通过排气口6进入冷凝装置8进行冷凝回流到醇-酸有机混合物贮存器17中进行再次利用；水解反应完成后对生成物进行陈化一段时间，打开阀门7排放出制备的多孔材料至储存室15中进行干燥，调节外层温度，通过调节扇14控制干燥速度和维持反应器内部的压力在1MPa。
当加入的表面活性剂溶液、包硅的磁性微纳米粒子溶液、反应液的体积比为1:2:1，喷射后液滴粒径为15mm，施加的电压为脉冲电，脉冲宽度为8min，电流为10A，形成的外加磁场为脉冲磁场，频率为50Hz，水解反应温度为100℃，反应时间6h，陈化温度为20℃，时间10h，干燥温度60℃，时间12h，生成的多孔吸附材料对气体污染物中起始浓度为100mg/L的H2S的去除率为70%，对甲醛的去除率为83%，对汞的去除率为65%；
当加入的表面活性剂溶液、包硅的磁性微纳米粒子溶液、反应液的体积比为1:3:1，喷射后液滴粒径为12mm，施加的电压为脉冲电，脉冲宽度为5min，电流为8A，形成的外加磁场为脉冲磁场，频率为80Hz，水解反应温度为100℃，反应时间7h，陈化温度为20℃，时间10h，干燥温度60℃，时间12h，生成的多孔吸附材料对气体污染物中起始浓度为100mg/L的H2S的去除率为75%，对甲醛的去除率为88%，对汞的去除率为73%；
当加入的表面活性剂溶液、包硅的磁性微纳米粒子溶液、反应液的体积比为1:4:1，喷射后液滴粒径为10mm，施加的电压为脉冲电，脉冲宽度为2min，电流为10A，形成的外加磁场为脉冲磁场，频率为100Hz，水解反应温度为100℃，反应时间8h，陈化温度为20℃，时间10h，干燥温度60℃，时间12h，生成的多孔吸附材料对气体污染物中起始浓度为100mg/L的H2S的去除率为72%，对甲醛的去除率为85%，对汞的去除率为70%。
Claims (10)
1.一种磁控纳米马达集群凝胶法制备多孔吸附材料的方法，其特征在于：在700~1500℃冶炼熔渣中加入醇-酸有机混合物充分混合反应，反应完成后将反应液、包硅的磁性微纳米粒子溶液混合均匀后，再将混合物添加到表面活性剂溶液中，在磁场存在条件下、80~180℃反应0.5~24h后，室温~30℃下陈化16~24h，收集固体加热烘干，即得多孔吸附材料。
2.根据权利要求1所述的磁控纳米马达集群凝胶法制备多孔吸附材料的方法，其特征在于：冶炼熔渣和醇-酸有机混合物的质量比为1:1~5:1；表面活性剂溶液、包硅的磁性微纳米粒子溶液、反应液的体积比为1~10:1~4:1~5。
3.根据权利要求1所述的磁控纳米马达集群凝胶法制备多孔吸附材料的方法，其特征在于：醇-酸有机混合物是醇和酸按体积比1~7:10~1的比例混合制得，其中醇为二甘醇、三甘醇、松油醇中的一种或几种；酸为对甲苯磺酸、取代的苯乙酸、苯甲酸中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的磁控纳米马达集群凝胶法制备多孔吸附材料的方法，其特征在于：表面活性剂为聚氧丙烯聚氧乙烯共聚物、脂肪醇聚氧乙烯醚、烷基醇酰胺聚氧乙烯醚中的一种或几种，表面活性剂溶液的质量浓度为5%~30%。
5.根据权利要求1所述的磁控纳米马达集群凝胶法制备多孔吸附材料的方法，其特征在于：包硅的磁性微纳米粒子溶液是将磁性纳米粒子制成质量浓度3~5%的水分散液，按体积比1:5~8:0.25~0.4的比例将磁性纳米粒子水分散液、乙醇、浓氨水进行充分混合后，在N2保护条件下，按磁性纳米粒子水分散液: 正硅酸四乙酯体积比为30~10:1的比例分次加入正硅酸四乙酯，每次充分搅拌30min，制得包硅的磁性微纳米粒子溶液。
6.根据权利要求5所述的磁控纳米马达集群凝胶法制备多孔吸附材料的方法，其特征在于：磁性纳米粒子为四氧化三铁、钴、镍的一种或几种。
7.根据权利要求1所述的磁控纳米马达集群凝胶法制备多孔吸附材料的方法，其特征在于：外加磁场为恒定磁场、交变磁场、脉冲磁场中的一种或几种；交变磁场的周期为1~12min；脉冲磁场的脉冲宽度为2~8min，频率1~160Hz。
8.完成权利要求1-7中任一项所述的磁控纳米马达集群凝胶法制备多孔吸附材料的方法的装置，其特征在于：包括文丘里喷嘴（5）、冷凝装置（8）、反应器（10）、磁场发生器（13）、醇-酸有机混合物贮存器（17）、混合反应器Ⅰ（19）、氮气瓶（22）、混合反应器Ⅱ（25），氮气瓶（22）通过压力控制开关（23）与混合反应器Ⅱ（25）上的N2进气口（27）连通，混合反应器Ⅱ（25）顶部开有进料口Ⅱ（21），混合反应器Ⅱ（25）通过泵与文丘里喷嘴（5）的进料口Ⅰ（4）连接，文丘里喷嘴（5）上还设置有喷管高速气流入口（1）、表面活性剂溶液进料口（2）、反应液进料口（3），文丘里喷嘴（5）的喷料口设置在反应器（10）顶部并与其连通，反应器（10）底部为锥形出料口，出料口下方设置有带出口（9）的储存室（15），储存室（15）内设置有风扇（14），反应器（10）的排气口（6）通过冷凝装置（8）与醇-酸有机混合物贮存器（17）连接，醇-酸有机混合物贮存器（17）通过泵与混合反应器Ⅰ（19）连通，混合反应器Ⅰ（19）顶部设置有冶炼熔渣进料口（18），混合反应器Ⅰ（19）通过泵与文丘里喷嘴（5）的反应液进料口（3）连通，磁场发生器（13）设置在反应器（10）上且磁场作用在反应腔体内，反应器（10）的壳体（12）内设置有加热保温层（11），文丘里喷嘴（5）的喷管高速气流入口（1）与风机（16）连接；混合反应器Ⅰ（19）下部设置有过滤出口（28）、废渣排出口（29）。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：混合反应器Ⅰ（19）、混合反应器Ⅱ（25）内分别设置有搅拌器，磁场发生器为磁感应线圈。
10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：锥形出料口上设置有阀门（7），表面活性剂溶液进料口（2）、反应液进料口（3）、进料口Ⅰ（4）、排气口（6）处均设置阀门。
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