申请日2015.07.03
公开(公告)日2017.06.27
IPC分类号B01J20/20; B01J20/30; C02F1/28; C02F101/20
摘要
本发明用于吸附污废水中重金属离子的复合材料的制备方法，涉及多孔固体吸附剂复合物，所述复合材料是矿物纳米纤维粉体与泡沫碳的复合材料，步骤是：制备具有内部多孔结构的矿物纳米纤维粉体;模板法制备质轻且多孔的泡沫碳;矿物纳米纤维粉体与泡沫碳复合，制得用于吸附污废水中重金属离子的矿物纳米纤维粉体与泡沫碳的复合材料。本发明方法克服了现有用于含重金属废水处理的吸附剂吸附效率不高、制备工艺需要的条件复杂、功耗大、成本高和不便于回收的缺陷。
权利要求书
1.用于吸附污废水中重金属离子的复合材料的制备方法，其特征在于：所述复合材料是矿物纳米纤维粉体与泡沫碳的复合材料，具体步骤如下：
第一步，制备具有内部多孔结构的矿物纳米纤维粉体：
取300～500g已过20～30目筛的矿物纤维粉体置于5000mL的烧杯中，加入2500～3500mL的去离子水和250～350mL质量百分比浓度为36%的盐酸溶液，以1200～1700r/min的转速高速分散0.5～1.5h成浆液，将该浆液反复抽滤洗涤，直至pH值为中性，得到滤饼;将该滤饼置于烘箱中在60～80℃温度下烘24h至干燥，然后研磨过20～30目筛，再用气流磨进行超音速气流深度解束的处理，制得具有内部多孔结构的矿物纳米纤维粉体，其粒度为10nm～50nm，孔径为2nm～50nm，待用;
第二步，模板法制备质轻且多孔的泡沫碳：
(2.1)配制聚酰胺酸溶液：在500mL烧杯中，加入分析纯的N,N-二甲基乙酰胺40～96mL，再将浓度为24wt%的聚酰胺酸溶液20～30mL倒入此烧杯，搅拌均匀后，得到浓度为5～15wt%的聚酰胺酸溶液，
(2.2)聚氨酯泡沫的浸渍：将0.1～0.3g的聚氨酯泡沫在(2.1)步所得的聚酰胺酸溶液中浸渍0.5～1.5h，得到聚氨酯泡沫与液态碳源的复合物泡沫体，
(2.3)复合物泡沫体的挤压：取出(2.2)步中浸渍聚酰胺酸溶液得到的聚氨酯泡沫与液态碳源的复合物泡沫体，用模具在10～15MPa下进行挤压，
(2.4)复合物泡沫体的干燥：将(2.3)步挤压后的复合物泡沫体放入真空干燥箱，在60～80℃下干燥8～12h，真空度为100Pa，
(2.5)复合物泡沫体的炭化：将固化后的复合物泡沫体置于石英舟中，在管式电阻炉内以10～20℃/min的速度升温，于气流率为30～40mL/min的氮气气氛中进行炭化处理，条件是，炭化终温为800～1000℃，恒温时间为1～2h，然后自然冷却至室温后制得质轻且多孔的泡沫碳;
第三步，矿物纳米纤维粉体与泡沫碳复合：
把第一步制得的矿物纳米纤维粉体置于500mL烧杯中，加去离子水配成混合液，固液质量比为1:10，把第二步制得的质轻且多孔的泡沫碳放入上述混合液中浸渍0.5-1.5h后取出，矿物纳米纤维粉体与泡沫碳的质量比为1:1～2，放入箱式炉里进行400～600℃烧结，保温2～3h，制得用于吸附污废水中重金属离子的复合材料，所述复合材料是矿物纳米纤维粉体与泡沫碳的复合材料。
说明书
用于吸附污废水中重金属离子的复合材料的制备方法
技术领域
本发明的技术方案涉及多孔固体吸附剂复合物，具体地说是用于吸附污废水中重金属离子的复合材料的制备方法。
背景技术
随着工农业的快速发展和现代化进程的加快，工业废水的排污量也与日俱增。工业废水的排放严重地影响到人们日常生活饮水的品质，特别是重金属污废水的排放和污染已成为人们十分关注的环境问题。重金属污废水主要来自两方面：一是人类的各种生产活动排放了大量的重金属物质流入到湖泊、河流、海洋和地下等地区，造成了水体污染，致使水体的物理化学性质及水体中的生物群落发生改变，降低了水体利用价值;二是在我国一些以粗放型经济方式为主的地区，个别企业忽视生态环境，只求利润最大化，再加之对含重金属的原料的利用效率低，造成单位产值排放过量的含重金属污废水。重金属污废水毒性强，而且还具有持久性和不可降解等特点，在自然界中过量富集会对环境和人体造成极大的危害，因此，研发出高效且便于回收的用于从污废水中吸附重金属离子的吸附剂非常重要。
天然矿物纳米纤维材料吸附剂具有独特的结构，因而具有良好的吸附和离子交换性能，而且价格低廉，储量丰富，使其在污废水处理中具有较好的应用前景。泡沫碳是一种以碳原子为骨架，碳原子之间相互堆积而形成的多孔网状结构的轻质固态碳材料。碳泡沫具有较高的化学稳定性，较大的比表面积，较低的热膨胀系数和较高的孔隙等特性，应用范围非常广泛。然而，由于粉末状天然矿物纳米纤维材料具有极强的吸水性，吸水后黏度大，分离回收性能差，虽然成型天然矿物纳米纤维材料解决了分离难题，但吸附性能又不及粉末状矿物纳米纤维材料优良。CN102600803A公开了用于含重金属废水处理的吸附剂的制备方法，选取城市生活污水处理厂脱水污泥为原料，通过碱液提取、乙醇沉淀、离心分离、和低温干燥的步骤制备得到一种用于含重金属废水处理的吸附剂。其缺陷是：①采用脱水污泥，经过脱水后，视污泥和沉渣的性质和脱水设备的效能而决定其污泥含水率可降低到55%～80%，制备工艺需要的条件较为复杂，功耗大，成本高，不利于工业化生产;②产品的吸附效率不高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供用于吸附污废水中重金属离子的复合材料的制备方法，所述复合材料是矿物纳米纤维与泡沫碳的复合材料，选取原料为廉价且具有良好吸附作用的矿物纤维粉体，并对其进行深加工处理，制备出具有内部多孔结构的矿物纳米纤维粉体，再与模板法制备的轻质多孔泡沫碳进行复合，烧制成块体，很好地克服了现有用于含重金属废水处理的吸附剂吸附效率不高、制备工艺需要的条件复杂、功耗大、成本高和不便于回收的缺陷。
本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：用于吸附污废水中重金属离子的复合材料的制备方法，所述复合材料是矿物纳米纤维粉体与泡沫碳的复合材料，具体步骤如下：
第一步，制备具有内部多孔结构的矿物纳米纤维粉体：
取300～500g已过20～30目筛的矿物纤维粉体置于5000mL的烧杯中，加入2500～3500mL的去离子水和250～350mL质量百分比浓度为36%的盐酸溶液，以1200～1700r/min的转速高速分散0.5～1.5h成浆液，将该浆液反复抽滤洗涤，直至pH值为中性，得到滤饼;将该滤饼置于烘箱中在60～80℃温度下烘24h至干燥，然后研磨过20～30目筛，再用气流磨进行超音速气流深度解束的处理，制得具有内部多孔结构的矿物纳米纤维粉体，其粒度为10nm～50nm，孔径为2nm～50nm，待用;
第二步，模板法制备质轻且多孔的泡沫碳：
(2.1)配制聚酰胺酸溶液：在500mL烧杯中，加入分析纯的N,N-二甲基乙酰胺40～96mL，再将浓度为24wt%的聚酰胺酸溶液20～30mL倒入此烧杯，搅拌均匀后，得到浓度为5～15wt%的聚酰胺酸溶液，
(2.2)聚氨酯泡沫的浸渍：将0.1～0.3g的聚氨酯泡沫在(2.1)步所得的聚酰胺酸溶液中浸渍0.5～1.5h，得到聚氨酯泡沫与液态碳源的复合物泡沫体，
(2.3)复合物泡沫体的挤压：取出(2.2)步中浸渍聚酰胺酸溶液得到的聚氨酯泡沫与液态碳源的复合物泡沫体，用模具在10～15MPa下进行挤压，
(2.4)复合物泡沫体的干燥：将(2.3)步挤压后的复合物泡沫体放入真空干燥箱，在60～80℃下干燥8～12h，真空度为100Pa，
(2.5)复合物泡沫体的炭化：将固化后的复合物泡沫体置于石英舟中，在管式电阻炉内以10～20℃/min的速度升温，于气流率为30～40mL/min的氮气气氛中进行炭化处理，条件是，炭化终温为800～1000℃，恒温时间为1～2h，然后自然冷却至室温后制得质轻且多孔的泡沫碳;
第三步，矿物纳米纤维粉体与泡沫碳复合：
把第一步制得的矿物纳米纤维粉体置于500mL烧杯中，加去离子水配成混合液，固液质量比为1:10，把第二步制得的质轻且多孔的泡沫碳放入上述混合液中浸渍0.5-1.5h后取出，矿物纳米纤维粉体与泡沫碳的质量比为1:1～2，放入箱式炉里进行400～600℃烧结，保温2～3h，制得用于吸附污废水中重金属离子的复合材料，所述复合材料是矿物纳米纤维粉体与泡沫碳的复合材料。
上述用于吸附污废水中重金属离子的复合材料的制备方法，所述矿物纤维粉体为海泡石纤维粉体或坡缕石纤维粉体。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明的突出的实质性特点和显著进步如下：
(1)由于本发明方法将矿物纤维粉体制成了具有内部多孔结构的矿物纳米纤维粉体，该粉体与质轻多孔的泡沫碳块状基体起到吸附重金属离子的协同作用，在去除重金属离子的效率无论从吸附性理论上看，还是在实践应用中均得到显著提高，比单独的矿物纳米纤维粉体的吸附效率提高150%，并且尚未见到有相关研究的报道。
(2)本发明方法制备的用于吸附污废水中重金属离子的复合材料质轻多孔，且为块体，非常便于回收再利用。
(3)本发明方法选取原料为廉价且具有良好吸附作用的矿物纤维粉体，并对其进行深加工处理，制备出具有内部多孔结构的矿物纳米纤维粉体，再与模板法制备的轻质多孔泡沫碳进行复合，烧制成块体，很好地克服了现有用于含重金属废水处理的吸附剂吸附效率不高、制备工艺需要的条件复杂、功耗大、成本高和不便于回收的缺陷。