CN113184966A - 一种利用铝土矿和凝灰岩制备碳量子加载聚硅铝铁絮凝剂的方法 - Google Patents

一种利用铝土矿和凝灰岩制备碳量子加载聚硅铝铁絮凝剂的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用铝土矿和凝灰岩制备碳量子加载聚硅铝铁絮凝剂的方法，包括以下步骤：配制柠檬酸水溶液，再与铝土矿粉末混合，搅拌，过滤，得到的液体部分为柠檬酸铝铁溶液；配制二甲基脲水溶液，与柠檬酸铝铁溶液混合，得到脲掺柠檬酸铝铁溶液；将氢氧化钠与凝灰岩粉末混合，得到碱掺凝灰岩；将水与碱掺凝灰岩混合，然后加热，过滤，得到的液体部分为含硅溶液；再与脲掺柠檬酸铝铁溶液混合，得到脲掺含硅柠檬酸铝铁溶液；滴入硫酸溶液，得到酸性脲掺含硅柠檬酸铝铁溶液；进行低温等离子体照射，得到碳掺聚硅铝铁混合液；烘干，得到碳量子加载聚硅铝铁絮凝剂。本发明制备工艺简单，制备原料来源广泛，实现了铝土矿和凝灰岩高值化。

Description

一种利用铝土矿和凝灰岩制备碳量子加载聚硅铝铁絮凝剂的 方法
技术领域
本法明属于功能性材料研发领域，尤其涉及一种利用铝土矿和凝灰岩制备碳量子加载聚硅铝铁絮凝剂的方法。
背景技术
可饮用水源是国家战略资源，关系到国泰民安与社会稳定运行发展。然而，近些年来随着工业化进程不断推进，我国水污染问题日益突出并逐渐影响到居民生活与经济可持续发展。尤其在我国工矿业发展前期，对工矿业污水的不当处置，造成我国大片区域的地表、地下水承受不同程度的污染问题。因此，对工矿业废水进行合理处置不仅关乎当地区域环保问题也对推动社会绿色可持续发展显得必不可少且尤为关键。
生化处置法是当前处置工矿业废水最经济和最可靠的方法之一。将工矿业废水导入生化池进行生化处置前需对工矿业废水进行适当地预处置，以去除污水不可降解杂质及对活性污泥中微生物有强烈毒害作用的元素(例如：重金属元素、镧系元素、锕系放射性同位素)。向工矿业废水中加入适量絮凝剂以实现废水预处理是目前最常规操作。然而，目前应用絮凝剂预处置工矿业废液，即使通过调配混凝剂和优化加药工艺方式也很难有效去除废液中的某些毒害性元素。这不仅会使得生化净水效应显著降低，而且还会造成活性污泥中毒，产生大量次生污染物。
因此基于上述分析，基于常规材料研发新型高效的絮凝剂以解决工矿业废水预处置过程中存在的毒害性元素难去除问题对实现工矿业废水高效处置显得尤为关键。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用铝土矿和凝灰岩制备碳量子加载聚硅铝铁絮凝剂的方法，以解决工矿业废水预处置过程中存在的毒害性元素难去除的问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种利用铝土矿和凝灰岩制备碳量子加载聚硅铝铁絮凝剂的方法，包括以下步骤：
(1)将柠檬酸加入水中，搅拌至柠檬酸完全溶解，配制得到柠檬酸水溶液；
(2)将铝土矿粉末与步骤(1)配制的柠檬酸水溶液混合，搅拌，过滤，得到的液体部分为柠檬酸铝铁溶液；
(3)将二甲基脲加入水中，搅拌至二甲基脲完全溶解，配制得到二甲基脲水溶液；
(4)将步骤(3)配制的二甲基脲水溶液与步骤(2)得到的柠檬酸铝铁溶液混合，得到脲掺柠檬酸铝铁溶液；
(5)将氢氧化钠与凝灰岩粉末混合，得到碱掺凝灰岩；
(6)将水与步骤(5)得到的碱掺凝灰岩混合，然后加热，过滤，得到的液体部分为含硅溶液；
(7)将步骤(4)得到的脲掺柠檬酸铝铁溶液与步骤(6)得到的含硅溶液混合，得到脲掺含硅柠檬酸铝铁溶液；
(8)向步骤(7)得到的脲掺含硅柠檬酸铝铁溶液滴入硫酸溶液，得到酸性脲掺含硅柠檬酸铝铁溶液；
(9)对步骤(8)得到的酸性脲掺含硅柠檬酸铝铁溶液进行低温等离子体照射，得到碳掺聚硅铝铁混合液；
(10)将步骤(9)得到的碳掺聚硅铝铁混合液烘干，得到碳量子加载聚硅铝铁絮凝剂。
优选的，所述步骤(1)中，柠檬酸水溶液的质量分数为20％～60％。
优选的，所述步骤(2)中，铝土矿粉末与柠檬酸水溶液固液比为2.5～17.5:100g:mL，在转速120～480rpm条件下连续搅拌1.5～7.5小时。
优选的，所述步骤(3)中，二甲基脲水溶液的质量分数为20％～60％。
优选的，所述步骤(4)中，二甲基脲水溶液与柠檬酸铝铁溶液体积比为1～10:1。
优选的，所述步骤(5)中，氢氧化钠与凝灰岩粉末的质量比为5～25:100。
优选的，所述步骤(6)中，水与碱掺凝灰岩的液固比为1～3:1mL:g，在50～150℃加热6～24小时。
优选的，所述步骤(7)中，脲掺柠檬酸铝铁溶液与含硅溶液的体积比为10～60:100。
优选的，所述步骤(8)中，硫酸水溶液中硫酸质量含量为5％～95％，酸性脲掺含硅柠檬酸铝铁溶液pH为2～6。
优选的，所述步骤(9)中，低温等离子体照射0.5～2.5小时，低温等离子体作用电压为5～75kV。
优选的，所述步骤(10)中，烘干温度为50～150℃。
本发明的原理是：将铝土矿粉末与柠檬酸水溶液混合后，铝土矿中的铝酸盐、硅铝酸盐及含铁矿物溶解，使得铝、铁、硅等元素转移至柠檬酸水溶液中。将二甲基脲水溶液与柠檬酸铝铁溶液混合后，可调整柠檬酸铝铁溶液碳氮比例同时可强化铝土矿粉末中铝、铁元素的浸出。在加热及氢氧根作用条件下，凝灰岩粉末中的硅酸盐强效浸出。将脲掺柠檬酸铝铁溶液与含硅溶液混合，含硅溶液可进一步增加脲掺柠檬酸铝铁溶液中硅的含量，同时含硅溶液中的氢氧根可与铁盐、铝盐反应诱发铁沉淀及铝盐水解。向脲掺含硅柠檬酸铝铁溶液滴入硫酸溶液不仅可以调节脲掺含硅柠檬酸铝铁溶液pH值，而且还能够使得从铝土矿粉末中溶解出的铅和钡与硫酸根反应生成硫酸铅和硫酸钡沉淀，从而消除絮凝剂产品毒性。酸性脲掺含硅柠檬酸铝铁溶液进行低温等离子体照射，低温等离子体放电过程中产生的活性粒子及热、微波、超声波可诱发硅酸盐和铝酸盐发生水解聚合，并于氢氧化铁沉淀生成聚硅铝铁混凝剂。同时，低温等离子体放电过程中产生的活性粒子及热、微波、超声波还可使得柠檬酸根和二甲基脲中碳碳键、碳氮键和碳氢键发生断链并诱发二氧化碳自由基和氢自由基生成。在热激发和微波激发作用下断裂的碳链重新聚合，形成碳量子点。二氧化碳自由基和氢自由基可强化硅酸盐和铝酸盐发生水解聚合反应。生成的聚硅铝铁混凝剂可将碳链高效吸附在表面特定位点，从而增加碳链间接触效率，强化碳量子点生成。最终，低温等离子体作用结束后，生成碳量子加载的聚硅铝铁絮凝剂。
有益效果：本发明制备工艺简单，制备原料来源广泛，本发明利用铝土矿和凝灰岩制备碳量子加载聚硅铝铁絮凝剂可充分利用铝土矿和凝灰岩中硅铝有效成分，实现铝土矿和凝灰岩高值化。同时本发明制备的一种碳量子加载聚硅铝铁絮凝剂相比于传统的聚硅铝铁絮凝剂可更加高效地捕获水体中的铒和铕离子，其铒和铕吸附容量最高可高达164.57mg/g和357mg/g，明显高于传统聚硅铝铁絮凝剂。
附图说明
图1是本发明处理方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1
二甲基脲水溶液与柠檬酸铝铁溶液体积比对所制备的碳量子加载聚硅铝铁絮凝剂性能影响
称取柠檬酸加入水中，搅拌至柠檬酸完全溶解，配制质量分数为20％的柠檬酸水溶液。按照铝土矿粉末与柠檬酸水溶液固液比2.5:100g:mL分别称取铝土矿粉末与柠檬酸水溶液，混合，120rpm条件下连续搅拌1.5小时，过滤，得到的液体部分为柠檬酸铝铁溶液。称取二甲基脲加入水中，搅拌至二甲基脲完全溶解，配制质量分数为20％的二甲基脲水溶液。按照二甲基脲水溶液与柠檬酸铝铁溶液体积比0.5:1、0.7:1、0.9:1、1:1、5.5:1、10:1、12:1、14:1、15:1分别二甲基脲水溶液与柠檬酸铝铁溶液，混合，得到脲掺柠檬酸铝铁溶液。按照质量比5:100分别称取氢氧化钠与凝灰岩粉末，混合，得到碱掺凝灰岩。按照水与碱掺凝灰岩液固比1:1mL:g分别称取水与碱掺凝灰岩，混合，然后在50℃加热6小时，过滤，得到的液体部分为含硅溶液。按照脲掺柠檬酸铝铁溶液与含硅溶液体积比10:100分别称取脲掺柠檬酸铝铁溶液与含硅溶液体，混合，得到脲掺含硅柠檬酸铝铁溶液。向脲掺含硅柠檬酸铝铁溶液滴入硫酸溶液，得到酸性脲掺含硅柠檬酸铝铁溶液，其中，硫酸水溶液中硫酸质量含量为5％，酸性脲掺含硅柠檬酸铝铁溶液pH为2。对酸性脲掺含硅柠檬酸铝铁溶液进行低温等离子体照射0.5小时，得到碳掺聚硅铝铁混合液，其中低温等离子体作用电压为5kV。将碳掺聚硅铝铁混合液在50℃烘干，得到碳量子加载聚硅铝铁絮凝剂。
含稀土离子废液配制：称取500mg氯化铕和500mg氯化铒溶入到1L水溶液中，120rpm条件下搅拌至氯化铕和氯化铒完全溶解。
吸附试验：称取2g本发明制备的碳量子加载聚硅铝铁絮凝剂加入含稀土离子废液，120rpm条件下搅拌30min，随后8000rpm条件下离心5min，得到的液体部分用于铕和铒浓度检测。
溶液中铕和铒浓度检测：含稀土离子废液中铕和铒离子浓度应用电感耦合等离子体质谱仪进行检测。
吸附容量计算：本发明制备的碳量子加载聚硅铝铁絮凝剂对M(M为铕或铒)吸附容量按照公式(1)计算，其中RM为碳量子加载聚硅铝铁絮凝剂对M吸附容量(mg/g)，cM0和cMt为吸附试验前后废液中M浓度(mg/L)，V为吸附试验中废液体积(L)，m0为吸附试验中加入的碳量子加载聚硅铝铁絮凝剂质量(g)。
Figure BDA0003043302020000041
本实施例试验结果见表1。
表1二甲基脲水溶液与柠檬酸铝铁溶液体积比对所制备的碳量子加载聚硅铝铁絮凝剂性能影响
Figure BDA0003043302020000051
由表1可看出，当二甲基脲水溶液与柠檬酸铝铁溶液体积比小于1:1时(如表1中，二甲基脲水溶液与柠檬酸铝铁溶液体积比＝0.9:1、0.7:1、0.5:1时以及表1中未列举的更低比值)，二甲基脲水溶液掺量较少，柠檬酸铝铁溶液碳氮比例不均衡，同时铝土矿粉末中铝、铁元素浸出效率较差，导致所制备的碳量子加载聚硅铝铁絮凝剂对于铕和铒的吸附容量随着二甲基脲水溶液与柠檬酸铝铁溶液体积比减小显著降低。当二甲基脲水溶液与柠檬酸铝铁溶液体积比等于1～10:1时(如表1中，二甲基脲水溶液与柠檬酸铝铁溶液体积比＝1:1、5.5:1、10:1时)，将二甲基脲水溶液与柠檬酸铝铁溶液混合后，可调整柠檬酸铝铁溶液碳氮比例同时可强化铝土矿粉末中铝、铁元素的浸出。最终，本发明所制备的碳量子加载聚硅铝铁絮凝剂对于铕和铒的吸附容量分别均大于287mg/g和124mg/g。当二甲基脲水溶液与柠檬酸铝铁溶液体积比大于10:1时(如表1中，二甲基脲水溶液与柠檬酸铝铁溶液体积比＝12:1、14:1、15:1时以及表1中未列举的更高比值)，二甲基脲水溶液掺量过多，柠檬酸铝铁溶液碳氮比例不均衡，导致所制备的碳量子加载聚硅铝铁絮凝剂对于铕和铒的吸附容量随着二甲基脲水溶液与柠檬酸铝铁溶液体积比进一步增加而显著降低。因此，综合而言，结合效应与成本，当二甲基脲水溶液与柠檬酸铝铁溶液体积比等于1～10:1时，最有利于提高所制备的碳掺聚合氯化铝铁絮凝剂吸附性能。
实施例2
脲掺柠檬酸铝铁溶液与含硅溶液体积比对所制备的碳量子加载聚硅铝铁絮凝剂性能影响
称取柠檬酸加入水中，搅拌至柠檬酸完全溶解，配制质量分数为40％的柠檬酸水溶液。按照铝土矿粉末与柠檬酸水溶液固液比10:100g:mL分别称取铝土矿粉末与柠檬酸水溶液，混合，300rpm条件下连续搅拌4.5小时，过滤，得到的液体部分为柠檬酸铝铁溶液。称取二甲基脲加入水中，搅拌至二甲基脲完全溶解，配制质量分数为40％的二甲基脲水溶液。按照二甲基脲水溶液与柠檬酸铝铁溶液体积比10:1分别二甲基脲水溶液与柠檬酸铝铁溶液，混合，得到脲掺柠檬酸铝铁溶液。按照质量比15:100分别称取氢氧化钠与凝灰岩粉末，混合，得到碱掺凝灰岩。按照水与碱掺凝灰岩液固比2:1mL:g分别称取水与碱掺凝灰岩，混合，然后在100℃加热15小时，过滤，得到的液体部分为含硅溶液。按照脲掺柠檬酸铝铁溶液与含硅溶液体积比5:100、6:100、8:100、10:100、35:100、60:100、65:100、70:100、75:100分别称取脲掺柠檬酸铝铁溶液与含硅溶液体，混合，得到脲掺含硅柠檬酸铝铁溶液。向脲掺含硅柠檬酸铝铁溶液滴入硫酸溶液，得到酸性脲掺含硅柠檬酸铝铁溶液，其中，硫酸水溶液中硫酸质量含量为50％，酸性脲掺含硅柠檬酸铝铁溶液pH为4。对酸性脲掺含硅柠檬酸铝铁溶液进行低温等离子体照射1.5小时，得到碳掺聚硅铝铁混合液，其中低温等离子体作用电压为40kV。将碳掺聚硅铝铁混合液在100℃烘干，得到碳量子加载聚硅铝铁絮凝剂。
含稀土离子废液配制、吸附试验、溶液中铕和铒浓度检测、吸附容量计算均同实施例1。
本实施例试验结果见表2。
表2脲掺柠檬酸铝铁溶液与含硅溶液体积比对所制备的碳量子加载聚硅铝铁絮凝剂性能影响
Figure BDA0003043302020000061
Figure BDA0003043302020000071
由表2可看出，当脲掺柠檬酸铝铁溶液与含硅溶液体积比小于10:100时(如表2中，脲掺柠檬酸铝铁溶液与含硅溶液体积比＝8:100、6:100、5:100时以及表2中未列举的更低比值)，脲掺柠檬酸铝铁溶液掺量较小，低温等离子过程中生成的碳量子、二氧化碳自由基及氢自由基较少，导致所制备的碳量子加载聚硅铝铁絮凝剂对于铕和铒的吸附容量随着脲掺柠檬酸铝铁溶液与含硅溶液体积比减小显著降低。当脲掺柠檬酸铝铁溶液与含硅溶液体积比等于10～60:100时(如表2中，脲掺柠檬酸铝铁溶液与含硅溶液体积比＝10:100、35:100、60:100时)，将脲掺柠檬酸铝铁溶液与含硅溶液混合，含硅溶液可进一步增加脲掺柠檬酸铝铁溶液中硅的含量，同时含硅溶液中的氢氧根可与铁盐、铝盐反应诱发铁沉淀及铝盐水解。最终，本发明所制备的碳量子加载聚硅铝铁絮凝剂对于铕和铒的吸附容量分别均大于302mg/g和141mg/g。当脲掺柠檬酸铝铁溶液与含硅溶液体积比大于60:100时(如表2中，脲掺柠檬酸铝铁溶液与含硅溶液体积比＝65:100、70:100、75:100时以及表2中未列举的更高比值)，脲掺柠檬酸铝铁溶液过多，所制备的碳量子加载聚硅铝铁絮凝剂对于铕和铒的吸附容量随着脲掺柠檬酸铝铁溶液与含硅溶液体积比进一步增加而显著降低。因此，综合而言，结合效应与成本，当脲掺柠檬酸铝铁溶液与含硅溶液体积比等于10～60:100时，最有利于提高所制备的碳掺聚合氯化铝铁絮凝剂吸附性能。
实施例3
低温等离子体照射对所制备的碳量子加载聚硅铝铁絮凝剂性能影响
称取柠檬酸加入水中，搅拌至柠檬酸完全溶解，配制质量分数为60％的柠檬酸水溶液。按照铝土矿粉末与柠檬酸水溶液固液比17.5:100g:mL分别称取铝土矿粉末与柠檬酸水溶液，混合，480rpm条件下连续搅拌7.5小时，过滤，得到的液体部分为柠檬酸铝铁溶液。称取二甲基脲加入水中，搅拌至二甲基脲完全溶解，配制质量分数为60％的二甲基脲水溶液。按照二甲基脲水溶液与柠檬酸铝铁溶液体积比10:1分别二甲基脲水溶液与柠檬酸铝铁溶液，混合，得到脲掺柠檬酸铝铁溶液。按照质量比25:100分别称取氢氧化钠与凝灰岩粉末，混合，得到碱掺凝灰岩。按照水与碱掺凝灰岩液固比3:1mL:g分别称取水与碱掺凝灰岩，混合，然后在150℃加热24小时，过滤，得到的液体部分为含硅溶液。按照脲掺柠檬酸铝铁溶液与含硅溶液体积比60:100分别称取脲掺柠檬酸铝铁溶液与含硅溶液体，混合，得到脲掺含硅柠檬酸铝铁溶液。向脲掺含硅柠檬酸铝铁溶液滴入硫酸溶液，得到酸性脲掺含硅柠檬酸铝铁溶液，其中，硫酸水溶液中硫酸质量含量为95％，酸性脲掺含硅柠檬酸铝铁溶液pH为6。对酸性脲掺含硅柠檬酸铝铁溶液分别进行低温等离子体照射0.25小时、0.3小时、0.4小时、0.5小时、1.5小时、2.5小时、3小时、3.5小时、4小时，得到碳掺聚硅铝铁混合液，其中低温等离子体作用电压为75kV。将碳掺聚硅铝铁混合液在150℃烘干，得到碳量子加载聚硅铝铁絮凝剂。
含稀土离子废液配制、吸附试验、溶液中铕和铒浓度检测、吸附容量计算均同实施例1。
本实施例试验结果见表3。
表3低温等离子体照射对所制备的碳量子加载聚硅铝铁絮凝剂性能影响
Figure BDA0003043302020000081
Figure BDA0003043302020000091
由表3可看出，当低温等离子体照射时间小于0.5小时(如表3中，低温等离子体照射时间＝0.4小时、0.3小时、0.25小时以及表3中未列举的更低值)，低温等离子体放电时间较短，檬酸根和二甲基脲裂解和再聚合效果变差，同时硅酸盐和铝酸盐发生水解聚合反应效果变差，导致制备的碳量子加载聚硅铝铁絮凝剂对于铕和铒的吸附容量随着低温等离子体照射时间减小显著降低。当低温等离子体照射时间等于0.5～2.5小时(如表3中，低温等离子体照射时间＝0.5小时、1.5小时、2.5小时)，低温等离子体放电过程中产生的活性粒子及热、微波、超声波还可使得柠檬酸根和二甲基脲中碳碳键、碳氮键和碳氢键发生断链并诱发二氧化碳自由基和氢自由基生成。在热激发和微波激发作用下断裂的碳链重新聚合，形成碳量子点。二氧化碳自由基和氢自由基可强化硅酸盐和铝酸盐发生水解聚合反应。最终，本发明所制备的碳量子加载聚硅铝铁絮凝剂对于铕和铒的吸附容量分别均大于336mg/g和151mg/g。当低温等离子体照射时间大于2.5小时(如表3中，低温等离子体照射时间＝3小时、3.5小时、4小时以及表3中未列举的更高值)，低温等离子体照射时间过长，檬酸根和二甲基脲部分矿化为二氧化碳和水，同时硅酸盐和铝酸盐发生水解聚合反应效果变差，导致制备的碳量子加载聚硅铝铁絮凝剂对于铕和铒的吸附容量随着低温等离子体照射时间进一步增加显著降低。因此，综合而言，结合效应与成本，当低温等离子体照射时间等于0.5～2.5小时，最有利于提高所制备的碳掺聚合氯化铝铁絮凝剂吸附性能。
对比例 不同制备工艺对所制备絮凝剂吸附性能影响
本发明工艺碳量子加载聚硅铝铁絮凝剂制备：称取柠檬酸加入水中，搅拌至柠檬酸完全溶解，配制质量分数为60％的柠檬酸水溶液。按照铝土矿粉末与柠檬酸水溶液固液比17.5:100g:mL分别称取铝土矿粉末与柠檬酸水溶液，混合，480rpm条件下连续搅拌7.5小时，过滤，得到的液体部分为柠檬酸铝铁溶液。称取二甲基脲加入水中，搅拌至二甲基脲完全溶解，配制质量分数为60％的二甲基脲水溶液。按照二甲基脲水溶液与柠檬酸铝铁溶液体积比10:1分别二甲基脲水溶液与柠檬酸铝铁溶液，混合，得到脲掺柠檬酸铝铁溶液。按照质量比25:100分别称取氢氧化钠与凝灰岩粉末，混合，得到碱掺凝灰岩。按照水与碱掺凝灰岩液固比3:1mL:g分别称取水与碱掺凝灰岩，混合，然后在150℃加热24小时，过滤，得到的液体部分为含硅溶液。按照脲掺柠檬酸铝铁溶液与含硅溶液体积比60:100分别称取脲掺柠檬酸铝铁溶液与含硅溶液体，混合，得到脲掺含硅柠檬酸铝铁溶液。向脲掺含硅柠檬酸铝铁溶液滴入硫酸溶液，得到酸性脲掺含硅柠檬酸铝铁溶液，其中，硫酸水溶液中硫酸质量含量为95％，酸性脲掺含硅柠檬酸铝铁溶液pH为6。对酸性脲掺含硅柠檬酸铝铁溶液进行低温等离子体照射2.5小时，得到碳掺聚硅铝铁混合液，其中低温等离子体作用电压为75kV。将碳掺聚硅铝铁混合液在150℃烘干，得到一种利用铝土矿和凝灰岩制备碳量子加载聚硅铝铁絮凝剂。
对比例1
絮凝剂制备：称取柠檬酸加入水中，搅拌至柠檬酸完全溶解，配制质量分数为60％的柠檬酸水溶液。按照铝土矿粉末与柠檬酸水溶液固液比17.5:100g:mL分别称取铝土矿粉末与柠檬酸水溶液，混合，480rpm条件下连续搅拌7.5小时，过滤，得到的液体部分为柠檬酸铝铁溶液。称取二甲基脲加入水中，搅拌至二甲基脲完全溶解，配制质量分数为60％的二甲基脲水溶液。按照二甲基脲水溶液与柠檬酸铝铁溶液体积比10:1分别二甲基脲水溶液与柠檬酸铝铁溶液，混合，得到脲掺柠檬酸铝铁溶液。按照质量比25:100分别称取氢氧化钠与凝灰岩粉末，混合，得到碱掺凝灰岩。按照水与碱掺凝灰岩液固比3:1mL:g分别称取水与碱掺凝灰岩，混合，然后在150℃加热24小时，过滤，得到的液体部分为含硅溶液。按照脲掺柠檬酸铝铁溶液与含硅溶液体积比60:100分别称取脲掺柠檬酸铝铁溶液与含硅溶液体，混合，得到脲掺含硅柠檬酸铝铁溶液。向脲掺含硅柠檬酸铝铁溶液滴入硫酸溶液，得到酸性脲掺含硅柠檬酸铝铁溶液，其中，硫酸水溶液中硫酸质量含量为95％，酸性脲掺含硅柠檬酸铝铁溶液pH为6。将酸性脲掺含硅柠檬酸铝铁溶液在150℃烘干，得到对比例1制备的絮凝剂。
对比例2
聚硅铝铁絮凝剂制备：按照铝土矿粉末与水固液比17.5:100g:mL分别称取铝土矿粉末与水溶液，混合，480rpm条件下连续搅拌7.5小时，过滤，得到的液体部分为铝铁溶液。按照质量比25:100分别称取氢氧化钠与凝灰岩粉末，混合，得到碱掺凝灰岩。按照水与碱掺凝灰岩液固比3:1mL:g分别称取水与碱掺凝灰岩，混合，然后在150℃加热24小时，过滤，得到的液体部分为含硅溶液。按照铝铁溶液与含硅溶液体积比60:100分别称取铝铁溶液与含硅溶液体，混合，得到含硅铝铁溶液。向硅铝铁溶液滴入硫酸溶液，得到酸性硅铝铁溶液，其中，硫酸水溶液硫酸含量为95％，酸性硅铝铁溶液pH为6。对酸性硅铝铁溶液进行低温等离子体照射2.5小时，得到聚硅铝铁混合液，其中低温等离子体作用电压为75kV。将聚硅铝铁混合液在150℃烘干，得到聚硅铝铁絮凝剂。
对比例3
碳量子溶液制备：称取柠檬酸加入水中，搅拌至柠檬酸完全溶解，配制质量分数为60％的柠檬酸水溶液。称取二甲基脲加入水中，搅拌至二甲基脲完全溶解，配制质量分数为60％的二甲基脲水溶液。按照二甲基脲水溶液与柠檬酸水溶液体积比10:1分别二甲基脲水溶液与柠檬酸水溶液，混合，得到脲掺柠檬酸水溶液。对脲掺柠檬酸水溶液进行低温等离子体照射2.5小时，得到碳量子溶液，其中低温等离子体作用电压为75kV。
含稀土离子废液配制、吸附试验、溶液中铕和铒浓度检测、吸附容量计算均同实施例1。吸附试验中，对比工艺碳量子溶液直接与含稀土离子废液混合，吸附时间与离心条件同实施例1。
本对比例试验结果见表4。
表4不同制备工艺对所制备絮凝剂吸附性能影响
Figure BDA0003043302020000111
由表4可看出，本发明工艺制备的碳量子加载聚硅铝铁絮凝剂的铕吸附容量和铒吸附容量均显著高于对比例1制备的絮凝剂、对比例2的聚硅铝铁絮凝剂及对比例3的碳量子溶液，同时，本发明工艺制备的碳量子加载聚硅铝铁絮凝剂的铕吸附容量和铒吸附容量均高于聚硅铝铁絮凝剂和碳量子溶液相应吸附容量之和。对比例1制备的絮凝剂的铕吸附容量和铒吸附容量均略高于对比例2的聚硅铝铁絮凝剂。将铝土矿粉末与柠檬酸水溶液混合后，铝土矿中的铝酸盐、硅铝酸盐及含铁矿物溶解，使得铝、铁、硅等元素转移至柠檬酸水溶液中。将二甲基脲水溶液与柠檬酸铝铁溶液混合后，可调整柠檬酸铝铁溶液碳氮比例同时可强化铝土矿粉末中铝、铁元素的浸出。在加热及氢氧根作用条件下，凝灰岩粉末中的硅酸盐强效浸出。将脲掺柠檬酸铝铁溶液与含硅溶液混合，含硅溶液可进一步增加脲掺柠檬酸铝铁溶液中硅的含量，同时含硅溶液中的氢氧根可与铁盐、铝盐反应诱发铁沉淀及铝盐水解。向脲掺含硅柠檬酸铝铁溶液滴入硫酸溶液不仅可以调节脲掺含硅柠檬酸铝铁溶液pH值，而且还能够使得从铝土矿粉末中溶解出的铅和钡与硫酸根反应生成硫酸铅和硫酸钡沉淀，从而消除絮凝剂产品毒性。酸性脲掺含硅柠檬酸铝铁溶液进行低温等离子体照射，低温等离子体放电过程中产生的活性粒子及热、微波、超声波可诱发硅酸盐和铝酸盐发生水解聚合，并于氢氧化铁沉淀生成聚硅铝铁混凝剂。同时，低温等离子体放电过程中产生的活性粒子及热、微波、超声波还可使得柠檬酸根和二甲基脲中碳碳键、碳氮键和碳氢键发生断链并诱发二氧化碳自由基和氢自由基生成。在热激发和微波激发作用下断裂的碳链重新聚合，形成碳量子点。二氧化碳自由基和氢自由基可强化硅酸盐和铝酸盐发生水解聚合反应。生成的聚硅铝铁混凝剂可将碳链高效吸附在表面特定位点，从而增加碳链间接触效率，强化碳量子点生成。最终，低温等离子体作用结束后，生成碳量子加载的聚硅铝铁絮凝剂。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种利用铝土矿和凝灰岩制备碳量子加载聚硅铝铁絮凝剂的方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将柠檬酸加入水中，搅拌至柠檬酸完全溶解，配制得到柠檬酸水溶液；
(2)将铝土矿粉末与步骤(1)配制的柠檬酸水溶液混合，搅拌，过滤，得到的液体部分为柠檬酸铝铁溶液；
(3)将二甲基脲加入水中，搅拌至二甲基脲完全溶解，配制得到二甲基脲水溶液；
(4)将步骤(3)配制的二甲基脲水溶液与步骤(2)得到的柠檬酸铝铁溶液混合，得到脲掺柠檬酸铝铁溶液；
(5)将氢氧化钠与凝灰岩粉末混合，得到碱掺凝灰岩；
(6)将水与步骤(5)得到的碱掺凝灰岩混合，然后加热，过滤，得到的液体部分为含硅溶液；
(7)将步骤(4)得到的脲掺柠檬酸铝铁溶液与步骤(6)得到的含硅溶液混合，得到脲掺含硅柠檬酸铝铁溶液；
(8)向步骤(7)得到的脲掺含硅柠檬酸铝铁溶液滴入硫酸溶液，得到酸性脲掺含硅柠檬酸铝铁溶液；
(9)对步骤(8)得到的酸性脲掺含硅柠檬酸铝铁溶液进行低温等离子体照射，得到碳掺聚硅铝铁混合液；
(10)将步骤(9)得到的碳掺聚硅铝铁混合液烘干，得到碳量子加载聚硅铝铁絮凝剂。
2.根据权利要求1所述的利用铝土矿和凝灰岩制备碳量子加载聚硅铝铁絮凝剂的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，柠檬酸水溶液的质量分数为20％～60％。
3.根据权利要求1所述的利用铝土矿和凝灰岩制备碳量子加载聚硅铝铁絮凝剂的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，铝土矿粉末与柠檬酸水溶液固液比为2.5～17.5:100g:mL，在转速120～480rpm条件下连续搅拌1.5～7.5小时。
4.根据权利要求1所述的利用铝土矿和凝灰岩制备碳量子加载聚硅铝铁絮凝剂的方法，其特征在于：所述步骤(3)中，二甲基脲水溶液的质量分数为20％～60％。
5.根据权利要求1所述的利用铝土矿和凝灰岩制备碳量子加载聚硅铝铁絮凝剂的方法，其特征在于：所述步骤(4)中，二甲基脲水溶液与柠檬酸铝铁溶液体积比为1～10:1。
6.根据权利要求1所述的利用铝土矿和凝灰岩制备碳量子加载聚硅铝铁絮凝剂的方法，其特征在于：所述步骤(5)中，氢氧化钠与凝灰岩粉末的质量比为5～25:100。
7.根据权利要求1所述的利用铝土矿和凝灰岩制备碳量子加载聚硅铝铁絮凝剂的方法，其特征在于：所述步骤(6)中，水与碱掺凝灰岩的液固比为1～3:1mL:g，在50～150℃加热6～24小时。
8.根据权利要求1所述的利用铝土矿和凝灰岩制备碳量子加载聚硅铝铁絮凝剂的方法，其特征在于：所述步骤(7)中，脲掺柠檬酸铝铁溶液与含硅溶液的体积比为10～60:100。
9.根据权利要求1所述的利用铝土矿和凝灰岩制备碳量子加载聚硅铝铁絮凝剂的方法，其特征在于：所述步骤(8)中，硫酸水溶液中硫酸质量含量为5％～95％，酸性脲掺含硅柠檬酸铝铁溶液pH为2～6。
10.根据权利要求1所述的利用铝土矿和凝灰岩制备碳量子加载聚硅铝铁絮凝剂的方法，其特征在于：所述步骤(9)中，低温等离子体照射0.5～2.5小时，低温等离子体作用电压为5～75kV；所述步骤(10)中，烘干温度为50～150℃。
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