申请日2016.10.07
公开(公告)日2017.01.11
IPC分类号B01J20/28; B01J20/20; B01J20/30; C02F1/28; C02F1/48; C02F101/20
摘要
本发明涉及一种量子碳素磁性介质的制备、活化及污水处理方法。该方法本发明提供的量子碳素磁性介质表面分布有羧基和羰基和随机分布的羟基和环氧基，表面大量的羟基和羧基增加了量子碳素表面的负电密度，加强了与金属离子发生强络合作用和静电作用，促进金属离子的吸附，大量官能团的存在为量子碳素粒子提供了丰富的吸附位点，能够特殊且有效地分离和吸附水中的重金属离子，提高金属离子的处理效率。
摘要附图
权利要求书
1.一种量子碳素磁性介质的制备方法，其特征在于，包括：
(1)将质量比为(2.8-3.2):1的H12Cl3FeO6和FeC12·4H2O溶于离子水中，升温并滴加浓氨水至溶液pH为9左右充分反应，其中，每100ml离子水加入的溶质重量为：6.5-7.5g;
(2)反应完后将烧瓶中液体转入烧杯中，静置沉淀后移除上清液，加入去离子水洗涤至pH为中性，得到纳米四氧化三铁;
(3)将容器置于磁场区域，将水滤干后再加入去离子水与量子碳素液得到混合液，其中，去离子水、纳米四氧化三铁、量子碳素液的比值为：100ml：(3-3.6mg)：(60-70ml);再加入果壳活性炭并搅拌，其中，每100ml混合液加入1.9-2.1g果壳活性炭;
(4)将容器置于磁场区域，将水滤干后置于电热烘箱中烘干;将烘干的介质焙烧活化后冷却，将冷却后产物研磨粉碎至80um-120um之间的产物即得量子碳素磁性介质。
2.根据权利要求1所述的一种量子碳素磁性介质的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，采用水浴加热升温至40～60℃后滴加浓氨水至溶液pH为9左右，反应时间1小时以上，升温过程中通入氮气保护。
3.根据权利要求1所述的一种量子碳素磁性介质的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，加入果壳活性炭后搅拌转速为400～600r/min，搅拌时间20～60分钟。
4.根据权利要求1所述的一种量子碳素磁性介质的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中，将介质置于马弗炉无氧气氛中焙烧活化后冷却。
5.根据权利要求1所述的一种量子碳素磁性介质的制备方法，其特征在于，所述量子碳素液的ORP为280mv-500mv、电导率σ为1-10ms/cm、电动势为280mv-380mv、pH值为1.2-3.2、浓度为0.1%-0.45%，溶质是粒径为0.6nm-10nm的氧化石墨烯片，石墨烯粒子表层的氧含量为35%-54%。
6.一种量子碳素磁性介质的活化方法，其特征在于，包括：
(1)将回收的量子碳素磁性介质和去离子水按1:1～3的比例置于超声波容器中，搅拌并且超声波进行震动;
(2)将步骤(1)的混合物过滤后再加新的同样量的去离子水继续搅拌超声处理;重复(1)和(2)的方法若干次后，滤干并干燥;
(3)将干燥的介质焙烧活化后冷却，将冷却后产物研磨筛分至80um-120um之间即得活化的磁性介质产物。
7.根据权利要求6所述的一种量子碳素磁性介质的活化方法，其特征在于，所述超声波的频率为20～30KHz，处理时长为1～3小时。
8.一种利用权利要求1所述的量子碳素磁性介质进行污水处理的方法，其特征在于，包括：将量子碳素磁性介质与污水混合，利用磁体将吸附了金属离子的量子碳素磁性介质从污水中分离。
9.根据权利要求8所述的污水处理的方法，其特征在于，包括：混合了量子碳素磁性介质的待处理液体通入置于磁场区域的磁分离罐(7)内，利用磁分离罐(7)内设置的可转动的金属链网将吸附了金属的量子碳素磁性介质带出磁分离罐(7)，利用空吹喇叭口将量子碳素磁性介质从金属链网上吹出，利用固气分离器将量子碳素磁性介质从气流中分离。
10.根据权利要求8所述的污水处理的方法，其特征在于，还包括：利用权利要求5所述的方法对分离出的量子碳素磁性介质进行活化的步骤。
说明书
一种量子碳素磁性介质的制备、活化及污水处理方法
技术领域
本发明涉及一种金属处理装置及方法，属于环保技术领域，具体是涉及一种污水中的金属处理装置及方法。
背景技术
废水中所含的重金属对环境和人体健康危害大、持续时间长。大量未经处理的废弃物向土壤系统转移，并在自然因素的作用下汇集、残留于土壤环境中。土壤污染主要以重金属污染为主，其中镉、汞、铅、砷污染最为突出，废水中含有的铬(Cr)、砷(As)、镉(Cd)、锌(Zn)、镍(Ni)等重金属离子具有难降解、不可逆、毒性大和易被生物富集等特点，微量即可产生毒性效应，危害极大。
污染水的传统处理方法有：化学沉淀、离子交换、吸附、膜分离、氧化还原、电解及萃取等，但这些方法往往受水温、pH值、水质等因素的影响较大，对某些可溶物质去除率低，而且存在二次污染。对于土壤有机物和重金属治理修复已有较多的技术，包括常用的有物理化学方法、植物修复法、微生物修复法、土壤洗淋回填法等的技术。目前，土壤的修复工程中，比较普及应用的方法是将土壤中的污染物通过洗淋回收到洗淋水中，处理后的土壤回填，洗淋后的污染水再进行水处理。
将磁分离技术应用在废水处理，尤其是超导高梯度磁分离技术处理重金属废水有其独特的优势。对于废水中弱磁性及无磁性污染物，可以通过各种特性的磁性介质的吸着方法，快速地磁分离处理。由于磁分离处理系统低成本、小空间、高效率和高速处理等优点，成为近年来新兴的科研方向。实现重金属污水磁分离包含两方面工作，一是超导磁体，二是磁种。超导磁体装备已是非常成熟的技术，可以方便地从商业产品中得到。磁分离关键问题是如何制备高品质的磁种以及磁分离的具体工艺。
光催化氧化法是目前研究较多的一项高级氧化技术，是一种环境友好型绿色水处理技术,它能够彻底氧化降解污水中的有机污染物。结合一定量的光辐射，光敏介质材料在光的照射下表面受激励而产生电子(e-)和空穴(h+)。这些电子和空穴具有很强的还原和氧化能力，能与水或容存的氧反应，产生氢氧根自由基(·OH)和超级阴氧离子(·O)。这些氧化性极强的自由基，几乎能将所有构成有机物分子的化学键切断分解，达到无害化处理。但目前光催化氧化方法的催化剂利用率和回收率低,有待通过提高催化剂效率，采用光生电子和空穴复合,以及其他处理技术来共同提高反应效率等方面问题。
超导高梯度磁分离技术以独特分离原理和诸多优点，已成为最有发展前途的新型污水处理技术之一。随着技术理论和设备不断发展，其应用领域日益增加，在工业废水、生活污水、污染河水及湖水以及在处理污泥和废水中的弱磁及无磁性污染物方面具有独特的优势，利用磁性功能的吸附材料，已经得到众多的研究和小规模应用。同样光催化氧化方法也具有极为优秀的特点。但这两项技术仍没有得到应有的普及和大规模化工程应用的案例，其原因在于缺乏高效、经济、合理的技术配备等问题，尤其是设备磁分离方法和功能性的磁性吸附材料是否能够很好地匹配，关系到磁分离技术的特征能否充分地发挥出来。光催化氧化是光反应介质在特定波长光源的照射下才能产生催化作用，能否开发出光反应介质在更宽域的光谱作用下发生催化反应，也是当今该领域重要的课题之一。
针对这些问题，本发明人在长期系统开发和基础材料研究的基础上，提出了一种新的量子碳素磁性介质作为磁吸附材料，并在此基础上，对污水处理工艺进行改进，提高了污水中金属离子的吸附效率
发明内容
本发明主要目的是解决现有技术中存在的污水金属污染处理效能低下的技术问题，提供了一种量子碳素磁性介质的制备、活化及污水处理方法。方法利用量子碳素磁性介质作为磁性吸附材料，能够快速吸附液体中的各种金属离子，并在强磁场的作用下被吸附到三维顺磁金属链网中，通过金属链网的机械传动将量子碳素磁介质带出并回收。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
一种量子碳素磁性介质的制备方法，包括：
(1)将质量比为(2.8-3.2):1的H12Cl3FeO6和FeC12·4H2O溶于离子水中，升温并滴加浓氨水至溶液pH为9左右充分反应，其中，每100ml离子水加入的溶质重量为：6.5-7.5g;
(2)反应完后将烧瓶中液体转入烧杯中，静置沉淀后移除上清液，加入去离子水洗涤至pH为中性，得到纳米四氧化三铁;
(3)将容器置于磁场区域，将水滤干后再加入去离子水与量子碳素液得到混合液，其中，去离子水、纳米四氧化三铁、量子碳素液的比值为：100ml：(3-3.6mg)：(60-70ml);再加入果壳活性炭并搅拌，其中，每100ml混合液加入1.9-2.1g果壳活性炭;
(4)将容器置于磁场区域，将水滤干后置于电热烘箱中烘干;将烘干的介质焙烧活化后冷却，将冷却后产物研磨粉碎至80um-120um之间的产物即得量子碳素磁性介质。
优化的，上的一种量子碳素磁性介质的制备方法，所述步骤(1)中，采用水浴加热升温至40～60℃后滴加浓氨水至溶液pH为9左右，反应时间1小时以上，升温过程中通入氮气保护。
优化的，上的一种量子碳素磁性介质的制备方法，所述步骤(3)中，加入果壳活性炭后搅拌转速为400～600r/min，搅拌时间20～60分钟。
优化的，上的一种量子碳素磁性介质的制备方法，所述步骤(4)中，将介质置于马弗炉无氧气氛中焙烧活化后冷却。
优化的，上的一种量子碳素磁性介质的制备方法，所述量子碳素液的ORP为280mv-500mv、电导率σ为1-10ms/cm、电动势为280mv-380mv、pH值为1.2-3.2、浓度为0.1%-0.45%，溶质是粒径为0.6nm-10nm的氧化石墨烯片，石墨烯粒子表层的氧含量为35%-54%。
一种量子碳素磁性介质的活化方法，包括：
(1)将回收的量子碳素磁性介质和去离子水按1:1～3的比例置于超声波容器中，搅拌并且超声波进行震动;
(2)将步骤(1)的混合物过滤后再加新的同样量的去离子水继续搅拌超声处理;重复(1)和(2)的方法若干次后，滤干并干燥;
(3)将干燥的介质焙烧活化后冷却，将冷却后产物研磨筛分至80um-120um之间即得活化的磁性介质产物。
优化的，上述的一种量子碳素磁性介质的活化方法，所述超声波的频率为20～30KHz，处理时长为1～3小时。
一种利用上述任一权利要求所述的量子碳素磁性介质进行污水处理的方法，包括：将量子碳素磁性介质与污水混合，利用磁体将吸附了金属离子的量子碳素磁性介质从污水中分离。
优化的，上述的污水处理的方法，包括：混合了量子碳素磁性介质的待处理液体通入置于磁场区域的磁分离罐(7)内，利用磁分离罐(7)内设置的可转动的金属链网将吸附了金属的量子碳素磁性介质带出磁分离罐(7)，利用空吹喇叭口将量子碳素磁性介质从金属链网上吹出，利用固气分离器将量子碳素磁性介质从气流中分离。
优化的，上述的污水处理的方法，还包括：分离出的量子碳素磁性介质进行活化的步骤。
因此，本发明具有如下优点：1.本发明提供的量子碳素磁性介质表面分布有羧基和羰基和随机分布的羟基和环氧基，表面大量的羟基和羧基增加了量子碳素表面的负电密度，加强了与金属离子发生强络合作用和静电作用，促进金属离子的吸附，大量官能团的存在为量子碳素粒子提供了丰富的吸附位点，能够特殊且有效地分离和吸附水中的重金属离子，提高金属离子的处理效率;
2.本发明利用高梯度磁场磁化顺磁金属链网来吸附水中的量子碳素磁性介质，被吸的量子碳素磁性介质通过金属顺磁链网提升到空压机构进行分离和回收，并降低了磁分离的成本。