CN113477213A - 一种复合纳晶吸附材料的制备方法 - Google Patents

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覃远航
马广伟
王存文
吴再坤
张燎原
吕仁亮
马家玉
杜军
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Wuhan Institute of Technology
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Wuhan Institute of Technology
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Abstract

本发明公开了一种复合纳晶吸附材料的制备方法，包括以下步骤：将粉煤灰和氮掺杂多孔炭分别研磨并筛分至180～200目，然后在100℃～120℃干燥12‑24h；所得粉煤灰经过酸洗和洗涤，与所得氮掺杂多孔炭加入到NaOH溶液中，然后升温至100～120℃晶化2～15h；所得产品洗涤至中性，然后干燥、研磨并筛分至180‑200目即得到复合纳晶材料；本发明以粉煤灰为原料合成沸石，然后引入氮掺杂多孔炭增加了比表面积，使COD的吸附能力显著提高，通过加入氮掺杂多孔炭，增强了沸石的分散度，促进了沸石与氨氮的接触，从而提高了氨氮的吸附能力。

Description

一种复合纳晶吸附材料的制备方法
技术领域
本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种复合纳晶吸附材料的制备方法。
背景技术
氨氮(NH4-N)和COD广泛存在于生活污水和工业废水中，它们的来源可以范围自然源和人为源。氨氮和COD在工业生产和使用的过程中排放到自然环境中，会对环境和人体造成严重的污染和危害。工业生产的中产生的氨氮和COD排放到自然环境中会造成水体富营养化，同时会降低饮用水的质量，对人体健康造成直接的伤害。焦化废水是同时存在氨氮和COD的典型工业废水，根据炼焦化学工业污染物排放标准，氨氮和COD必须经过处理达到排放标准后才允许排放到自然环境中。传统焦化废水处理工艺对氨氮和COD的去除率都较低，故开发新型廉价、高效、操作方便和工艺简单的废水处理材料已成为了当务之急。
专利CN110882679A公开了一种复合材料处理污水，由质量百分比为5～95％木质活性炭与质量百分比为5～95％沸石经预处理、混合、挤压成型及热处理后制备而成，其中，还包括粘结剂的复合作用，最后得到沸石-活性炭复合材料。通过木质活性炭与沸石的协同作用，使得本复合材料具有良好的同步去除COD和氨氮的能力，但是氨氮和COD的去除效果不够理想。
发明内容
本发明目的在于提供一种针对含氨氮、COD废水的复合纳晶吸附材料的制备方法，能有效的去除废水中的氨氮和COD，改善废水水质。
为达到上述目的，采用技术方案如下：
一种复合纳晶吸附材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将粉煤灰和氮掺杂多孔炭分别研磨并筛分至180～200目，然后在100℃～120℃干燥12-24h；
(2)所得粉煤灰经过酸洗和洗涤，与所得氮掺杂多孔炭加入到NaOH溶液中，然后升温至100～120℃晶化2～15h；
(3)所得产品洗涤至中性，然后干燥、研磨并筛分至180-200目即得到复合纳晶材料。
按上述方案，所述粉煤灰为热电厂粉煤灰。
按上述方案，所述氮掺杂多孔炭按以下方式制备而来：
将多孔碳用尿素溶液浸渍2-3小时，干燥后在400-500℃的N2氛围下煅烧40-60min，得到氮掺杂多孔炭。
按上述方案，步骤2中所述粉煤灰用盐酸酸洗的固液比为5～15ml/g；洗涤温度20～50℃，酸洗时间1～4h。
按上述方案，步骤2中氮掺杂多孔炭和粉煤灰的质量比为1:(1～2)。
相对于现有技术，本发明的有益效果在于：
氮掺杂多孔炭是一种孔隙度高度发达的碳质材料，由于易于处理，对大多数有机污染物结合亲和力高，是去除COD的优良的吸附剂，然而，氮掺杂多孔炭对氨氮的吸附能力不足。沸石具有亲水性，具有高阳离子交换能力，是吸附氨氮的良好吸附剂。因此，可以开发一种结合氮掺杂多孔炭和沸石的复合吸附剂，从而得到一种可以从废水中去除COD和氨氮的复合材料。本发明以粉煤灰为原料合成沸石，然后引入氮掺杂多孔炭增加了比表面积，使COD的吸附能力显著提高，通过加入氮掺杂多孔炭，增强了沸石的分散度，促进了沸石与氨氮的接触，从而提高了氨氮的吸附能力。
具体实施方式
以下实施例进一步阐释本发明的技术方案，但不作为对本发明保护范围的限制。
本发明复合纳晶吸附材料的制备方法，具体如下：
(1)将粉煤灰和氮掺杂多孔炭分别研磨并筛分至180～200目，然后在100℃～120℃干燥12-24h；所述粉煤灰为热电厂粉煤灰；
(2)所得粉煤灰经过酸洗和洗涤，与所得氮掺杂多孔炭加入到NaOH溶液中，然后升温至100～120℃晶化2～15h；粉煤灰用盐酸酸洗的固液比为5～15ml/g；洗涤温度20～50℃，酸洗时间1～4h；氮掺杂多孔炭和粉煤灰的质量比为1:(1～2)；
(3)所得产品洗涤至中性，然后干燥、研磨并筛分至180-200目即得到复合纳晶材料。
本发明具体实施方式中所用氮掺杂多孔炭按以下方式制备而来：
将木屑筛分至180-200目，在105℃下干燥24小时，然后在室温下用磷酸(木屑和磷酸的质量比为1:1.9)激活24小时。之后，样品在550℃的N2氛围下激活90min，然后用热水(70℃)洗涤并在105℃下干燥，得到多孔碳；将多孔碳用尿素溶液(1.0mol/L)浸渍2-3小时，干燥后在400-500℃的N2氛围下煅烧40-60min，得到氮掺杂多孔炭。
实施例1
本实施例所述同时去除氨氮和COD的复合纳晶材料的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)将粉煤灰和氮掺杂多孔炭研磨并筛分至180目，然后在100℃干燥12h。
(2)将步骤(1)制备得到的粉煤灰进行酸洗，酸洗的固液比为5ml/g，洗涤温度30℃，酸洗时间2h，然后用去离子水洗涤。
(3)将洗涤后的粉煤灰和一定量的氮掺杂多孔炭加入到配制好的NaOH溶液中，氮掺杂多孔炭和粉煤灰的质量比为1:1，然后100℃晶化6h。
(4)将得到的样品连续洗涤，直至pH大约为7，然后干燥，研磨并筛分至180目即得到所需的复合纳晶材料。
将本实施例制备得到的复合纳晶材料进行活性测试，活性测试在温控
摇床中进行，连续摇动3h直到平衡，转速150r/min。反应条件为：氨氮浓度为100mg/L，COD浓度为100mg/L，温度25℃，pH为7。
实施例2
本实施例所述同时去除氨氮和COD的复合纳晶材料的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)将粉煤灰和氮掺杂多孔炭研磨并筛分至200目，然后在120℃干燥24h。
(2)将步骤(1)制备得到的粉煤灰进行酸洗，酸洗的固液比为15ml/g，洗涤温度40℃，酸洗时间3h，然后用去离子水洗涤。
(3)将洗涤后的粉煤灰和一定量的氮掺杂多孔炭加入到配制好的NaOH溶液中，氮掺杂多孔炭和粉煤灰的质量比为1:1，然后110℃晶化10h。
(4)将得到的样品连续洗涤，直至pH大约为7，然后干燥，研磨并筛分至200目即得到所需的复合纳晶材料。
将本实施例制备得到的复合纳晶材料进行活性测试，活性测试在温控摇床中进行，连续摇动3h直到平衡，转速150r/min。反应条件为：氨氮浓度为100mg/L，COD浓度为100mg/L，温度25℃，pH为7。
实施例3
本实施例所述同时去除氨氮和COD的复合纳晶材料的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)将粉煤灰和氮掺杂多孔炭研磨并筛分至180目，然后在120℃干燥12h。
(2)将步骤(1)制备得到的粉煤灰进行酸洗，酸洗的固液比为12ml/g，
洗涤温度50℃，酸洗时间2h，然后用去离子水洗涤。
(3)将洗涤后的粉煤灰和一定量的氮掺杂多孔炭加入到配制好的NaOH溶液中，氮掺杂多孔炭和粉煤灰的质量比为1:2然后120℃晶化12h。
(4)将得到的样品连续洗涤，直至pH大约为7，然后干燥，研磨并筛分至180目即得到所需的复合纳晶材料。
将本实施例制备得到的复合纳晶材料进行活性测试，活性测试在温控摇床中进行，连续摇动3h直到平衡，转速150r/min。反应条件为：氨氮浓度为100mg/L，COD浓度为100mg/L，温度25℃，pH为7。
实施例4
本实施例所述同时去除氨氮和COD的复合纳晶材料的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)将粉煤灰和氮掺杂多孔炭研磨并筛分至180目，然后在120℃干燥12h。
(2)将步骤(1)制备得到的粉煤灰进行酸洗，酸洗的固液比为15ml/g，洗涤温度50℃，酸洗时间3h，然后用去离子水洗涤。
(3)将洗涤后的粉煤灰和一定量的氮掺杂多孔炭加入到配制好的NaOH溶液中，氮掺杂多孔炭和粉煤灰的质量比为1:2，然后120℃晶化15h。
(4)将得到的样品连续洗涤，直至pH大约为7，然后干燥，研磨并筛分至180目即得到所需的复合纳晶材料。
将本实施例制备得到的纳晶材料进行活性测试，活性测试在温控摇床中进行，连续摇动3h直到平衡，转速150r/min。反应条件为：氨氮浓度为100mg/L，COD浓度为100mg/L，温度25℃，pH为7。
对比实施例1
本实施例与实施例4的区别在于没有加氮掺杂多孔炭，具体包括以下步骤：
(1)将粉煤灰研磨并筛分至180目，然后在120℃干燥12h。
(2)将步骤(1)制备得到的粉煤灰进行酸洗，酸洗的固液比为15ml/g，洗涤温度50℃，酸洗时间3h，然后用去离子水洗涤。
(3)将洗涤后的粉煤灰加入到配制好的NaOH溶液中，120℃晶化15h。
(4)将得到的样品连续洗涤，直至pH大约为7，然后干燥，研磨并筛分至180目即得到所需的复合纳晶材料。
将本实施例制备得到的复合纳晶进行活性测试，活性测试在温控摇床中进行，连续摇动3h直到平衡，转速150r/min。反应条件为：氨氮浓度为100mg/L，COD浓度为100mg/L，温度25℃，pH为7。
对比实施例2
本实施例所述以氮掺杂多孔炭来吸附去除氨氮和COD废水，具体包括以下步骤：
将氮掺杂多孔炭研磨并筛分至180目，然后在120℃干燥12h。
将本实施例制备得到的吸附剂进行活性测试，活性测试在温控摇床中进行，连续摇动3h直到平衡，转速150r/min。反应条件为：氨氮浓度为100mg/L，COD浓度为100mg/L，温度25℃，pH为7。
将各实施例和对比例作对比，对比结果如表1
表1
产品名称 氨氮去除率(％) COD去除率(％)
实施例1 93.45 80.23
实施例2 94.32 80.53
实施例3 95.72 80.09
实施例4 96.47 80.13
对比例1 96.21 40.22
对比料2 23.13 91.14
从表1可知，实施例1-4对氨氮去除率基本都在93％以上，最高可达96.47％，对COD的去除率也较高，接近于80％，吸附性能强，同对比例1相比，发现对比例1对COD的去除率有明显的下降，而对氨氮的吸附率基本无变化，说明氮掺杂多孔炭的加入可以提高对COD的去除率，能大大提高本发明的效果。同对比例2相比，发现对比例2对氨氮的去除率有明显的降低，对氨氮吸附率下降了20％，说明粉煤灰的加入可以提高对氨氮的去除率。从表1结果可以看出，实施例4是本发明的最优实施例。

Claims (5)

1.一种复合纳晶吸附材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)将粉煤灰和氮掺杂多孔炭分别研磨并筛分至180～200目，然后在100℃～120℃干燥12-24h；
(2)所得粉煤灰经过酸洗和洗涤，与所得氮掺杂多孔炭加入到NaOH溶液中，然后升温至100～120℃晶化2～15h；
(3)所得产品洗涤至中性，然后干燥、研磨并筛分至180-200目即得到复合纳晶材料。
2.如权利要求1所述复合纳晶吸附材料的制备方法，其特征在于所述粉煤灰为热电厂粉煤灰。
3.如权利要求1所述复合纳晶吸附材料的制备方法，其特征在于所述氮掺杂多孔炭按以下方式制备而来：
将多孔碳用尿素溶液浸渍2-3小时，干燥后在400-500℃的N2氛围下煅烧40-60min，得到氮掺杂多孔炭。
4.如权利要求1所述复合纳晶吸附材料的制备方法，其特征在于步骤2中所述粉煤灰用盐酸酸洗的固液比为5～15ml/g；洗涤温度20～50℃，酸洗时间1～4h。
5.如权利要求1所述复合纳晶吸附材料的制备方法，其特征在于步骤2中氮掺杂多孔炭和粉煤灰的质量比为1:(1～2)。
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