CN116272841A - 一种二氧化锰/羟基氧化铁多孔吸附材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种二氧化锰/羟基氧化铁多孔吸附材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种二氧化锰/羟基氧化铁多孔吸附材料及其制备方法和应用。其制备方法是将将高锰酸盐溶液与多孔基质材料混合搅拌，得到吸附有高锰酸盐的基质材料；在所述吸附有高锰酸盐的基质材料上喷淋二价锰盐溶液，得到二氧化锰吸附材料；在所述二氧化锰吸附材料上喷淋三价铁盐溶液，即得。该吸附材料的活性物质负载率高，吸附容量大，吸附性能强，稳定性高，对于重金属离子具有优良的吸附去除效果。其制备方法简单，成本低廉，适合工业化生产。

Description

一种二氧化锰/羟基氧化铁多孔吸附材料及其制备方法和 应用
技术领域
本发明涉及一种吸附材料，具体涉及一种二氧化锰/羟基氧化铁多孔吸附材料，还涉及其制备方法和应用，属于功能材料开发技术领域。
背景技术
水资源作为世界上的重要资源,更加是人类生存的基础。随着工业化时代的到来,使得水体的各种污染问题困扰着城市饮用水的质量。其中重金属是水体中最严重的污染物之一，由于其在水中不能被分解，人饮用后毒性放大，与水中的其他毒素结合还会生成毒性更大的有害物质。金属能引起人的头痛、头晕、失眠、关节疼痛、结石等；尤其对消化系统、泌尿系统的细胞、脏器、皮肤、骨骼、神经破坏极为严重。
目前针对水体重金属的去除技术主要有化学沉淀法、电化学沉淀法、膜过滤法、吸附法等。其中吸附法具有设计和操作简单，被广泛应用。目前应用较为广泛的吸附材料主要包括活性炭、沸石等矿物材料、铁锰等金属氧化物。活性炭、矿物材料虽然成本较低，通量较大，但吸附能力较差。金属氧化物对重金属离子吸附能力较强，但依然存在易堵塞、易产生二次污染、普适性不强等问题。因此，开发同时兼备高流通量、强吸附性能、适用性广泛的重金属离子吸附材料具有重要意义。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的第一个目的是在于提供一种二氧化锰/羟基氧化铁多孔吸附材料。该吸附材料具有高负载率、大吸附容量、强吸附性能等优点。
本发明的第二个目的是在于提供一种二氧化锰/羟基氧化铁多孔吸附材料的制备方法。该方法简单，成本低廉，适合工业规模化生产。
本发明的第三个目的是在于提供一种二氧化锰/羟基氧化铁多孔吸附材料的应用。将其用于吸附去除液体中的重金属离子时，具有优良的吸附效果，重金属去除率高。
为了实现上述技术目的，本发明提供了一种二氧化锰/羟基氧化铁多孔吸附材料的制备方法，该方法是将高锰酸盐溶液与多孔基质材料混合搅拌，得到吸附有高锰酸盐的基质材料；在所述吸附有高锰酸盐的基质材料上喷淋二价锰盐溶液，得到二氧化锰吸附材料；在所述二氧化锰吸附材料上喷淋三价铁盐溶液，即得。
本发明首先借助多孔基质材料优异的吸水性能，将溶液中所有的高锰酸盐均吸附于基质材料孔道内部，提高负载率；其次采用喷淋方式将二价锰离子引入吸附有高锰酸盐的基质材料中，与直接加入二价锰盐溶液与材料混合相比，喷淋可使二价锰盐溶液均匀且分散地被基质材料快速吸附，保证高锰酸根离子与二价锰离子在材料孔内部发生反应生成二氧化锰，促使二氧化锰最大化地负载于孔内部；最后采用喷淋方式将三价铁离子引入二氧化锰吸附材料中，能够促进羟基氧化铁与二氧化锰复合材料的生成，并保证羟基氧化铁的高负载率。
作为一个优选的方案，将所述吸附有高锰酸盐的基质材料进行烘干处理。
作为一个优选的方案，所述高锰酸盐为高锰酸钾。
作为一个优选的方案，所述多孔基质材料包括多孔硅球、多孔陶粒、沸石、多孔海砂、活性炭中至少一种。多孔基质材料可以为具有微孔或介孔的任意多孔材料。
作为一个优选的方案，所述高锰酸盐溶液的摩尔浓度为0.1～0.4mol/L，进一步优选为0.3～0.4mol/L。本发明采用高浓度的高锰酸盐溶液，有利于提高二氧化锰负载率。
作为一个优选的方案，所述高锰酸盐溶液与多孔基质材料的质量比为2～1:1～2。进一步优选的高锰酸盐溶液与多孔基质材料的质量比为1:1～2。控制高锰酸盐溶液与基质材料质量比有利于提高二氧化锰负载率。由于多孔基质材料具有一定吸收率，当高锰酸盐溶液添加量过高会使得部分高锰酸盐不能有效被吸附于材料内部，进而导致后续反应过程中出现部分二氧化锰负载率相对下降；而当高锰酸盐溶液添加量过低也会使得二氧化锰负载率相对下降。
作为一个优选的方案，所述二价锰盐溶液为硫酸锰溶液。
作为一个优选的方案，所述二价锰盐溶液的摩尔浓度为0.15～0.6mol/L。控制二价锰盐溶液的浓度在合适的范围有利于获得性能优良的吸附材料。
作为一个优选的方案，所述二价锰盐溶液中的锰元素与吸附有高锰酸盐的基质材料中的高锰酸根的摩尔比为2.7～3.2:2。
作为一个优选的方案，所述吸附有高锰酸盐的基质材料喷淋二价锰盐溶液后依次进行静置陈化、水洗和烘干处理。静置陈化时间为1～12h，进一步优选为2～4h。
作为一个优选的方案，所述三价铁盐溶液为三氯化铁溶液。
作为一个优选的方案，所述三价铁盐溶液的摩尔浓度为0.5～4mol/L，进一步优选为1～3mol/L。控制三价铁盐溶液的浓度在合适的范围有利于提高材料的吸附性能，其浓度过高会使得形成的羟基氧化铁颗粒尺寸较大，吸附性能相对减弱，而浓度过低则会使得羟基氧化铁的负载率相对下降，吸附容量变小。
作为一个优选的方案，所述三价铁盐溶液中的铁元素与二氧化锰吸附材料中的锰元素的摩尔比为2～1:1～2。控制三价铁盐的添加量在合适的范围，有利于提高材料的吸附性能。当三价铁盐添加量过高时，会使得部分二氧化锰材料与羟基氧化铁包裹，影响二氧化锰的吸附效果；当三价铁盐添加量过低时，会引起羟基氧化铁吸附贡献率的不足，吸附性能相对减弱。
作为一个优选的方案，所述二氧化锰吸附材料喷淋三价铁盐溶液过程中，控制体系温度为50～80℃，进一步优选为65～75℃。
作为一个优选的方案，所述二氧化锰吸附材料喷淋三价铁盐溶液后依次进行静置陈化、水洗和烘干处理。静置陈化时间为1～24h，进一步优选为6～12h。喷淋完三价铁盐后进行静置陈化有利于提高材料的吸附性能。
本发明还提供了一种二氧化锰/羟基氧化铁多孔吸附材料，其是由上述方法制备得到。
本发明还提供了一种二氧化锰/羟基氧化铁多孔吸附材料的应用，其应用于吸附去除液体中的重金属离子。
作为一个优选的方案，所述二氧化锰/羟基氧化铁多孔吸附材料与溶液中的重金属离子的浓度比为50g/L:0.5～50mg/L。进一步优选的二氧化锰/羟基氧化铁多孔吸附材料与溶液中的重金属离子的浓度比为50g/L:2～5mg/L。
相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)采用多孔材料作为基质，并在其内部负载锰、铁活性吸附材料，一方面保留了锰、铁吸附材料的强吸附能力，另一方面得益于多孔材料的高流通性，使液体处理速度加快，同时可避免堵塞、二次污染等情况的发生；
(2)通过多孔基质吸附前驱体策略，使活性吸附材料在多孔基质的孔道中原位生成，实现了吸附材料活性物质负载率高、副产物产率低；
(3)通过锰、铁氧化物活性物质的协同作用，大幅提升材料的吸附性能，实现对液体中重金属离子的高效吸附；
(4)该吸附材料性能稳定，处理对象广泛，可用于去除大部分常见的重金属离子，适用范围广；
(5)材料制备方法简单，成本低廉，适合大规模工业化生产。
附图说明
图1为实施例1制得的吸附材料的SEM图。
图2为实施例1制得的吸附材料的EDS图。
具体实施方式
以下结合具体实施例再进一步说明本发明，而非限制本发明。
实施例1
步骤一：将100ml浓度为0.4mol/L的高锰酸钾溶液滴加至100g多孔硅球中，搅拌，待溶液被多孔基质充分吸附后，在100℃下烘干，得到多孔材料；
步骤二：将100ml浓度为0.6mol/L的硫酸锰溶液均匀喷淋至步骤一所得到的多孔材料中，静置3h后水洗2遍，在100℃下烘干，获得二氧化锰多孔吸附材料；
步骤三：在65℃恒温条件下往步骤二获得的二氧化锰多孔吸附材料中喷淋100ml浓度为1mol/L的三氯化铁溶液，恒温陈化10h，水洗2遍，在80℃下烘干，获得二氧化锰/羟基氧化铁多孔吸附材料。
对所制得的二氧化锰/羟基氧化铁多孔吸附材料进行SEM测试，所得测试结果如图1所示，其中a、b为材料整体图像，c、d为材料表面、内部放大图像。从图1中可以看出，二氧化锰/羟基氧化铁多孔吸附保持了多孔硅球的球形形状，放大图像中可观察到表面和内部均负载了大量微细颗粒，负载率高。
对该二氧化锰/羟基氧化铁多孔吸附材料进行EDS测试，结果如图2所示，图2中可看到明显的锰、铁元素峰，表明材料表明已负载有锰、铁氧化物，经计算，锰、铁元素的质量含量分别为4.8％与5.1％。
对该二氧化锰/羟基氧化铁多孔吸附材料进行吸附性能测试。以浓度为2.5mg/L的含As(III)模拟废水为处理对象，添加50g/L的吸附材料，搅拌10min后，净化水中As含量降低到0.005mg/L，达到饮用水标准，As去除率为99.8％。
实施例2
步骤一：将50ml浓度为0.3mol/L的高锰酸钾溶液滴加至100g多孔陶粒中，搅拌，待溶液被多孔陶粒充分吸附后，在100℃下烘干，得到多孔材料；
步骤二：将50ml浓度为0.45mol/L的硫酸锰溶液均匀喷淋至步骤一所得到的多孔材料中，静置4h后水洗2遍，在100℃下烘干，获得二氧化锰多孔吸附材料；
步骤三：在70℃恒温条件下往步骤二获得的二氧化锰多孔吸附材料中喷淋50ml浓度为2mol/L的三氯化铁溶液，恒温陈化6h，水洗2遍，在80℃下烘干，获得二氧化锰/羟基氧化铁多孔吸附材料，经计算，锰、铁的质量含量分别为2％与4.3％。
对该实施例制得的二氧化锰/羟基氧化铁多孔吸附材料进行吸附性能测试。以浓度为3mg/L的含Sb(III)模拟废水为处理对象，添加50g/L的吸附材料，搅拌10min后，净化水中Sb含量降低为0.001mg/L，达到饮用水标准，Sb去除率为99.97％。
实施例3
步骤一：将70ml浓度为0.4mol/L的高锰酸钾溶液滴加至100g多孔海砂中，搅拌，待溶液被多孔海砂充分吸附后，在100℃下烘干，得到多孔材料；
步骤二：将70ml浓度为0.6mol/L的硫酸锰溶液均匀喷淋至步骤一所得到的多孔材料中，静置2h后水洗2遍，在100℃下烘干，获得二氧化锰多孔吸附材料；
步骤三：在75℃恒温条件下往步骤二获得的二氧化锰多孔吸附材料中喷淋70ml浓度为3mol/L的三氯化铁溶液，恒温陈化10h，水洗2遍，在80℃下烘干，获得二氧化锰/羟基氧化铁多孔吸附材料，经计算，锰、铁的质量含量分别为3.6％与8.4％。
对该实施例制得的二氧化锰/羟基氧化铁多孔吸附材料进行吸附性能测试。以浓度为2mg/L的含Cr(VI)模拟废水为处理对象，添加50g/L的吸附材料，搅拌10min后，净化水中Cr含量降低到0.006mg/L，达到饮用水标准，Cr去除率为99.7％。
实施例4
步骤一：将100ml浓度为0.4mol/L的高锰酸钾溶液滴加至100g沸石中，搅拌，待溶液被沸石充分吸附后，在100℃下烘干，得到多孔材料；
步骤二：将100ml浓度为0.6mol/L的硫酸锰溶液均匀喷淋至步骤一所得到的多孔材料中，静置4h后水洗2遍，在100℃下烘干，获得二氧化锰多孔吸附材料；
步骤三：在70℃恒温条件下往步骤二获得的二氧化锰多孔吸附材料中喷淋100ml浓度为1mol/L的三氯化铁溶液，恒温陈化12h，水洗2遍，在80℃下烘干，获得二氧化锰/羟基氧化铁多孔吸附材料，经计算，锰、铁的质量含量分别为5％与4.8％。
对该实施例制得的二氧化锰/羟基氧化铁多孔吸附材料进行吸附性能测试。以浓度为5mg/L的含Pb(II)模拟废水为处理对象，添加50g/L的吸附材料，搅拌10min后，净化水中Pb含量降低到0.001mg/L，达到饮用水标准，Pb去除率为99.98％。
对比例1
采用实施例1的方法制备吸附材料，不同之处在于：不进行步骤三的喷淋三氯化铁溶液处理。所得吸附材料中锰、铁的质量含量分别为4.8％与0％。
对该对比例制得的吸附材料进行吸附性能测试。以浓度为2.5mg/L的含As(III)模拟废水为处理对象，添加50g/L的该吸附材料，搅拌10min后，净化水中As含量为0.68mg/L，未达到饮用水标准，As去除率为72.8％。该结果表明，在二氧化锰吸附材料上进一步负载羟基氧化铁可大幅提升材料的吸附性能。
对比例2
采用实施例1的方法制备吸附材料，不同之处在于：高锰酸钾溶液的摩尔浓度变为0.05mol/L，硫酸锰溶液摩尔浓度变为0.075mol/L。所得吸附材料中锰、铁的质量含量分别为0.5％与5％。
对该对比例制得的吸附材料进行吸附性能测试。以浓度为2.5mg/L的含As(III)模拟废水为处理对象，添加50g/L的该吸附材料，搅拌10min后，净化水中As含量为0.23mg/L，未达到饮用水标准，As去除率为90.8％。该结果表明，高锰酸钾和硫酸锰溶液浓度过低时，二氧化锰材料的负载率较低，导致吸附性能减弱。
对比例3
采用实施例1的方法制备吸附材料，不同之处在于：高锰酸钾溶液和硫酸锰溶液以及三氯化铁溶液体积用量均变为30ml。所得吸附材料中锰、铁的质量含量分别为1.4％与1.5％。
对该对比例制得的吸附材料进行吸附性能测试。以浓度为2.5mg/L的含As(III)模拟废水为处理对象，添加50g/L的该吸附材料，搅拌10min后，净化水中As含量为0.36mg/L，未达到饮用水标准，去除率为85.6％。该结果表明，前驱体溶液比例过低直接影响锰、铁材料的负载率，导致吸附性能减弱。
对比例4
采用实施例1的方法制备吸附材料，不同之处在于：硫酸锰摩尔浓度与高锰酸钾摩尔浓度比值为1:1。所得吸附材料中锰、铁的质量含量分别为3.2％与4.7％。
对该对比例制得的吸附材料进行吸附性能测试。以浓度为2.5mg/L的含As(III)模拟废水为处理对象，添加50g/L的该吸附材料，搅拌10min后，净化水中As含量为0.08mg/L，未达到饮用水标准，去除率为96.8％。该结果表明，二价锰离子与高锰酸根离子摩尔比不佳时，会影响二氧化锰的负载率，导致吸附性能减弱。
对比例5
采用实施例1的方法制备吸附材料，不同之处在于：将高锰酸钾、硫酸锰以及三氯化铁溶液同时加入多孔基质中。所得吸附材料中锰、铁的质量含量分别为1.9％与2.4％。
对该对比例制得的吸附材料进行吸附性能测试。以浓度为2.5mg/L的含As(III)模拟废水为处理对象，添加50g/L的该吸附材料，搅拌10min后，净化水中As含量为0.22mg/L，未达到饮用水标准，去除率为91.2％。该结果表明，将三种前驱体溶液同时加入会导致多数二氧化锰和羟基氧化铁在多孔基质外部生成，难以负载于材料内部，影响吸附性能。
对比例6
采用实施例1的方法制备吸附材料，不同之处在于：将硫酸锰溶液和三氯化铁溶液同时喷淋至吸附有高锰酸钾的多孔材料中。所得吸附材料中锰、铁的质量含量分别为2.9％与2.5％。
对该对比例制得的吸附材料进行吸附性能测试。以浓度为2.5mg/L的含As(III)模拟废水为处理对象，添加50g/L的该吸附材料，搅拌10min后，净化水中As含量为0.13mg/L，未达到饮用水标准，去除率为94.8％。该结果表明，将硫酸锰、三氯化铁溶液同时喷淋也会导致部分二氧化锰和羟基氧化铁在多孔基质外部生成，影响材料的负载率。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种二氧化锰/羟基氧化铁多孔吸附材料的制备方法，其特征在于：将高锰酸盐溶液与多孔基质材料混合搅拌，得到吸附有高锰酸盐的基质材料；在所述吸附有高锰酸盐的基质材料上喷淋二价锰盐溶液，得到二氧化锰吸附材料；在所述二氧化锰吸附材料上喷淋三价铁盐溶液，即得。
2.根据权利要求1所述的一种二氧化锰/羟基氧化铁多孔吸附材料的制备方法，其特征在于：所述多孔基质材料包括多孔硅球、多孔陶粒、沸石、多孔海砂、活性炭中至少一种。
3.根据权利要求1或2所述的一种二氧化锰/羟基氧化铁多孔吸附材料的制备方法，其特征在于：
所述高锰酸盐溶液的摩尔浓度为0.1～0.4mol/L；
所述高锰酸盐溶液与多孔基质材料的质量比为2～1:1～2。
4.根据权利要求1所述的一种二氧化锰/羟基氧化铁多孔吸附材料的制备方法，其特征在于：
所述二价锰盐溶液为硫酸锰溶液；
所述二价锰盐溶液的摩尔浓度为0.15～0.6mol/L。
5.根据权利要求1或4所述的一种二氧化锰/羟基氧化铁多孔吸附材料的制备方法，其特征在于：所述二价锰盐溶液中的锰元素与吸附有高锰酸盐的基质材料中的高锰酸根的摩尔比为2.7～3.2:2。
6.根据权利要求1所述的一种二氧化锰/羟基氧化铁多孔吸附材料的制备方法，其特征在于：
所述三价铁盐溶液为三氯化铁溶液；
所述三价铁盐溶液的摩尔浓度为0.5～4mol/L。
7.根据权利要求1或6所述的一种二氧化锰/羟基氧化铁多孔吸附材料的制备方法，其特征在于：所述三价铁盐溶液中的铁元素与二氧化锰吸附材料中的锰元素的摩尔比为2～1:1～2。
8.根据权利要求1所述的一种二氧化锰/羟基氧化铁多孔吸附材料的制备方法，其特征在于：所述二氧化锰吸附材料喷淋三价铁盐溶液过程中，控制体系温度为50～80℃。
9.一种二氧化锰/羟基氧化铁多孔吸附材料，其特征在于：由权利要求1～8任意一项所述的方法制备得到。
10.权利要求9所述的一种二氧化锰/羟基氧化铁多孔吸附材料的应用，其特征在于：应用于吸附去除液体中的重金属离子。
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