申请日2012.10.17
公开(公告)日2013.05.01
IPC分类号C01B33/16; C02F101/22; C02F1/62
摘要
本发明涉及一种去除废水中Cr的块状硅基气凝胶的常压制备方法，属于新材料制备技术领域。本发明是通过常压干燥方法制备能够吸附废水中Cr3+的块状硅基气凝胶。用此方法制备的硅基气凝胶，成块性良好，比表面积大，对废水中Cr3+的去除能力强。与超临界干燥方法相比，本方法具有反应条件温和、工艺流程简便、反应容易控制、成本低廉的优点。
权利要求书
1.一种去除废水中Cr的块状硅基气凝胶的常压制备方法,其特征在于按照下述步骤进行：
一、块状硅基气凝胶制备方法如下：
(1)将正硅酸四乙酯，无水乙醇，0.008mol/L草酸按照1:0.6:0.2的体积比混合于烧杯中，将烧杯封口，置于50℃水浴中磁力搅拌12h;
(2)逐滴缓慢加入一定量氨水，静置约40min，溶胶逐渐凝胶，立即加入无水乙醇浸泡36h;其中每12h换无水乙醇一次;以老化凝胶，并置换出凝胶中的水及其他未反应完原料，
(3)36h后利用表面张力更低的正己烷继续浸泡凝胶36h，其中每12h换正己烷一次，继续老化，并置换出凝胶中的乙醇;
溶剂交换之后，利用1:15的六甲基二硅胺烷/正己烷改性剂在50℃下浸泡凝胶24h以对凝胶进行表面改性，改性结束之后再用正己烷浸泡凝胶24h，其中每12h换一次以除去凝胶中未完全反应的改性剂;
(4)最后将烧杯用带针孔的铝箔封口后，置于60℃无风干燥箱中进行干燥96h后，逐步升温至180℃，干燥3h得到块状硅基气凝胶;
二、块状硅基气凝胶去除废水中Cr3+的方法如下：
(1)分别配制2 mg/L、4 mg/L、6 mg/L、8 mg/L、10 mg/L Cr(NO3)3溶液，利用原子吸收光谱法测绘得到其标准曲线，并利用此标准曲线测算经气凝胶吸附后的废水中Cr3+含量;
(2)在20mL 含Cr3+为7mg/L的废水中，当气凝胶的用量为1g、吸附时间为20 h、pH为6.0时，气凝胶对废水中Cr3+吸附效率最高，达到99%以上，残留Cr3+浓度仅为0.07mg/L，低于国家污水综合排放标准对Cr3+的限定值。
说明书
一种去除废水中Cr的块状硅基气凝胶的常压制备方法
技术领域
本发明属于新材料制备技术领域，特别涉及一种去除废水中Cr3+的块状硅基气凝胶的常压制备方法，特指利用常压干燥方法制备能够高效去除废水中Cr3+的块状硅基气凝胶。
背景技术
SiO2气凝胶为轻质纳米多孔性非晶固态材料，具有许多优异的性能，如孔隙率高(～99%)、密度低(～0.3 g/cm3)、比表面积大(1 600 m2/g)、热导率低(<0.02 W/mK)、声速低(～100 m/s)、折光率低(1.01~1.10)等。因此SiO2气凝胶在隔热材料、声阻抗耦合材料、火箭液体推进剂的存储介质、Cherenkov探测器、催化剂及催化剂载体、高效隔热材料及制备高效可充电电池等领域具有广泛的应用前景，同时作为吸附剂在废水处理、空气净化和核废弃物处理中也有很好的应用前景。
目前，国内外制备SiO2气凝胶通常都以硅酸酯为原料，采用溶胶-凝胶法，经超临界干燥制得。但是超临界干燥设备要求高，存在不安全因素等，且所制得气凝胶容易吸收水分而大大影响其性能，大规模应用受到很大制约。
随着工业的发展，重金属离子对环境造成的污染日益严重，对人类的安全也形成了极大的威胁，寻求经济的处理方法就显得尤为重要，铬是一种存在于矿冶、电镀、印染废水中的重金属，可通过皮肤、呼吸道等途径侵入人体，引起病态反应及具有强致癌作用。铬离子在水中主要以Cr3+和Cr6+的形式存在，Cr3+的毒性要低于Cr6+，但是Cr3+可以被氧化成具有强致癌性的Cr6+，所以工业废水中的Cr3+对环境及生物危害极大。目前Cr3+的处理方法有化学法(沉淀法、铁氧化法、电解还原法)、物理化学法(膜分离法、离子交换法、吸附法)、生物法(好氧处理法、厌氧处理法)等，其中吸附法由于具有操作简单、成本低、无二次污染等特点而被广泛应用。Huijuan Liu等人(Colloid and Surface A:Physicochemical and Engineering Aspects, 2009,347(1-3)38-44)研究了SiO2气凝胶对有毒有机物的吸附性能;王碧等人(Journal of Sichuan Vocational and Technical College, 2011, 21(3)117-118)利用高分子絮凝剂处理含Cr3+的废水;李闻欣等人(中国皮革，2011,40(17)36-39)研究了废羊毛对Cr3+的吸附性能。
迄今为止，尚未有利用常压制备的块状硅基气凝胶来处理含有Cr3+的废水的报道。本研究表明：利用常压干燥制备的块状硅基气凝胶对Cr3+的去除率达到99%，能够有效处理含Cr3+的废水。
发明内容
本发明的目的是利用常压制备能有效去除废水中Cr3+的块状硅基气凝胶。而不同改性剂、不同比例改性的硅基气凝胶对于Cr3+的吸附性能有明显差异，因此常压制备对Cr3+吸附性能最为优异的块状硅基气凝胶是本发明的基本内容，以下这种常压制备的硅基气凝胶对Cr3+的吸附性能最佳，为含Cr3+的废水处理提供了一种新材料。
一种去除废水中Cr的块状硅基气凝胶的常压制备方法,按照下述步骤进行：
一、块状硅基气凝胶制备方法如下：
(1)将正硅酸四乙酯，无水乙醇，草酸(0.008mol/L)按照1:0.6:0.2的体积比混合于烧杯中，将烧杯封口，置于50℃水浴中磁力搅拌12h;
(2)逐滴缓慢加入一定量氨水，静置约40min，溶胶逐渐凝胶，立即加入无水乙醇浸泡36h(每12h换无水乙醇一次)以老化凝胶，并置换出凝胶中的水及其他未反应完原料，
(3)36h后利用表面张力更低的正己烷继续浸泡凝胶36h(每12h换正己烷一次)，继续老化，并置换出凝胶中的乙醇。溶剂交换之后，利用1:15的六甲基二硅胺烷/正己烷改性剂在50℃下浸泡凝胶24h以对凝胶进行表面改性，改性结束之后再用正己烷浸泡凝胶24h(每12h换一次)以除去凝胶中未完全反应的改性剂。
(4)最后将烧杯用带针孔的铝箔封口后，置于60℃无风干燥箱中进行干燥96h后，逐步升温至180℃，干燥3h得到块状硅基气凝胶。
二、块状硅基气凝胶去除废水中Cr3+的方法如下：
1、分别配制2 mg/L、4 mg/L、6 mg/L、8 mg/L、10 mg/L Cr(NO3)3溶液，利用原子吸收光谱法测绘得到其标准曲线，并利用此标准曲线测算经气凝胶吸附后的废水中Cr3+含量。
2、在20mL 含Cr3+为7mg/L的废水中，当气凝胶的用量为1g、吸附时间为20 h、pH为6.0时，气凝胶对废水中Cr3+吸附效率最高，达到99%以上，残留Cr3+浓度仅为0.07mg/L，低于国家污水综合排放标准对Cr3+的限定值。
本发明的优点：
本发明是通过常压干燥方法制备能够吸附废水中Cr3+的块状硅基气凝胶。常压干燥相比超临界干燥具有成本低、操作简单、安全性高等优点，且如图1、图2所示，利用常压制备的块状气凝胶呈多孔状、骨架疏松、比表面积大(ABET=770.5 m2/g)、吸附率高、不会造成二次污染，为去除废水中Cr3+的一种理想材料。