一種從水中濾除鉻的陶粒濾料及其制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種用于濾除水中鉻離子的陶粒濾料及其制備方法。該材料是以工業污泥和粘土為主料，配以活性炭或木屑、氫氧化鈣或碳酸鈣、銅和鋅的硝酸鹽或硫酸鹽等輔料，通過混和、攪拌、造粒等過程，最終在缺氧或還原氣氛中燒結而成。本發明的陶粒濾料兼具物理吸附和氧化-還原特性，孔隙豐富，比表面積大，能有效去除水中鉻離子，且成本低廉，可廣泛應用于工業廢水處理領域。
【專利說明】一種從水中濾除鉻的陶粒濾料及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用于從水中濾除重金屬鉻的陶粒濾料及其制備方法。
【背景技術】
[0002]改革開放三十多年來，我國經濟發展迅速，但環境污染日益嚴重，其中水源污染尤為突出，嚴重威脅到居民飲用水安全。飲用水中可能存在的雜質和污染物主要包括一些懸浮物、膠體物質和溶解性物質，其中以細菌、病毒、余氯以及砷、鉛、鎘、鉻等重金屬離子對人體健康的危害最大。重金屬是生物體必須的微量元素，但同時具有強毒性，當濃度較高的，會對環境及人體產生巨大危害。因此，如何有效去除水中的重金屬元素，已經成為水處理領域的一大熱點課題。
[0003]中國發明專利CN 1044978C公布了一種重金屬復合過濾和固定的方法。該方法是利用一種由硅質微粒以及多價金屬離子存在的混和物組成的過濾介質來濾除液體中的金屬沉淀物并儲留它們。該法在實踐中對過濾液體PH值范圍有特殊的要求，且主要針對工業廢水，并不適合飲用水過濾。中國發明專利CN 101659464A公布了一種由聚六亞甲基胍、纖維素、硫代乙醇酸、乙酸酐、醋酸、硅陶土等聚合而成的飲用水消毒除重金屬的過濾裝置。但并未公布應用實例，未知其濾除效果如何。中國發明專利CN 1544352A, CN 1544343A、CN1544342A分別公布了一種以高分子材料為填充劑、納米濾料為過濾體。制成層狀圓形、卷曲筒狀和片狀的凈水材料，用于去除水中的重金屬、有機物、病毒和細菌等，這種凈水材料功能多，凈水效果比較好，但由于大量使用高分子材料作為填充劑，在水中長期使用穩定性下差，會影響其凈水效果。中國發明專利CN 1821108A公布了一種由多孔氧化硅、活性白土、多孔氧化鋁、分子篩、活性炭、硅藻土中的一種或多種結合銀、銅、鋅、稀土中的兩種或兩種以上的金屬制成的多元金屬簇凈水材料，吸附能力強，凈水能力全面，是一種優良的凈水材料，其不足之處在于成本較高，且粒徑大小，孔徑大小無法自由調節，應用范圍較小。中國發明專利CN 101844004A公`開了一種用于去除水中六價鉻的過濾介質的制備方法，去除率可達95%-99%。此外，膜過濾技術也廣泛應用于水中重金屬鉻的去除。以上兩種技術所用原材料或介質價格均比較昂貴，成本較高，并不適合與推廣應用。
[0004]針對以上各種凈水材料的不足，本發明公布了一種用于從水中濾除重金屬鉻的陶粒濾料及其制備方法。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于提供一種用于從水中濾除重金屬鉻的陶粒濾料及其制備方法。
[0006]發明概述:
本發明所公開的陶粒濾料，是采用污水處理廠的剩余污泥和粘土為主料，以鈣源、碳源、銅源及鋅源材料等為輔料，在缺氧或還原氣氛下燒制而成的一種多孔陶粒材料。材料兼具物理吸附和氧化-還原特性，能有效去除水中重金屬鉻離子。
[0007]發明詳述:本發明所述的從水中濾除鉻的陶粒濾料，是由以下原料燒制而成，各成分的用量如下(均為重量份):
污泥和粘土 70-80份，碳酸鈣或氫氧化鈣10-20份，木屑或活性炭10-20份，銅鹽和鋅鹽各5-10份。以上所述污泥是污水處理廠的剩余污泥，粘土為高嶺土、膨潤土或活性白土，銅鹽和鋅鹽可為硝酸鹽、硫酸鹽、醋酸鹽。
[0008]原料中的粘土為高嶺土、膨潤土或活性白土中的至少一種。
[0009]原料中污泥和粘土的重量份比介于1:1-2:1之間。
[0010]原料中的銅鹽和鋅鹽為硝酸鹽、硫酸鹽、醋酸鹽。
[0011]本發明所述的從水中濾除鉻的陶粒濾料的制備方法，包括以下步驟:
(1)按上述配方將原材料充分混和、攪拌，調制成泥漿，使用造粒機將泥漿制成所需形狀的泥粒，晾干成坯；
(2)將步驟(1)制得的泥坯置于高溫燒結爐中，在缺氧或還原氣氛下燒制，升溫速率不超過每小時100°C，在爐溫達到550-600°C時，保溫1.5-2小時，接著以每小時100°C的升溫速率繼續升溫，直到800-1100°C，保溫2.5-4小時，停止加熱，以每小時150-200°C的速率將爐溫降至室溫，得到多孔狀陶粒濾料。
[0012]本發明所述陶粒濾料，可有效濾除水中的重金屬鉻離子，技術特點如下:
(I)本發明的陶粒濾料是一種多孔材料，在陶瓷燒制過程中，由于有機物的分解，在顆粒內部及表面產生大量的微孔，孔隙率可達80%，比表面積大，有很強的物理吸附固定能力。
[0013](2)本發明的陶粒濾料在無氧條件下燒結，`使污泥中的有機物碳化。一方面增加了材料的孔隙率，另一方面使材料具有類似于活性炭的過濾功能。
[0014](3)本發明的陶粒濾料的配料中含有銅、鋅元素，經過高溫無氧或還原氣氛燒結后，陶粒表面形成納米級的銅、鋅包覆層。從而形成納米級的微觀原電池，具有電化學氧化-還原特性，可與水中具有毒性的六價鉻離子發生氧化-還原反應，將鉻六價離子還原為三價，變為無毒性離子。
[0015](4)本發明的陶粒濾料的孔隙率、孔徑大小、外形尺寸可根據需要自由調節，適用于各種不同的環境。
[0016]與現有技術相比本發明的有益效果在于:
本發明的陶粒濾料是一種無機材料，耐腐蝕、耐高溫、耐輻射的特點使其比現在大量應用的膜分離技術具有更寬的適用范圍。本發明的陶粒濾料可根據需求制成各種尺寸的顆粒，便于進行填充床操作，且無毒無害、對環境友好。本發明的陶粒濾料是一種具有物理吸附和氧化-還原特性的復合功能材料，較之單一功能的過濾技術具有更好的濾除效果。本發明的陶粒濾料在合成中大量了使用廢水污泥，是一種廢物再利用，實現了以廢治廢，同時材料中的另一主料粘土及其它輔料的成本也極低，非常適合于大規模應用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1是實施例1中步驟(2)中所得直徑為6mm的陶粒濾料的外觀照片。
[0018]圖2是實施例1中步驟(2)中所得直徑為6mm的陶粒濾料表面的掃描電鏡(SEM)圖片。具體實施方案
[0019]具體實施方案是本發明優選方案，本發明并不限于此。
[0020]實施例1
按以下配比稱取原料，各成分的用量均為重量份:
污泥40份，高嶺土 40份，碳酸鈣10份，木屑15份，硝酸銅5份，硝酸鋅5份。
[0021]制備步驟如下:
(1)按上述配方將原材料充分混和、攪拌，調制成泥漿，使用造粒機將泥漿制成直徑6_球形顆粒，晾干成坯；
(2)將步驟(1)制得的泥坯置于高溫燒結爐中，在H2氣氛下燒制，以每小時80°C升溫到550°C時，保溫2小時，然后以每小時100°C的升溫速率繼續升溫，直到800°C，保溫3小時，停止加熱，以每小時150°C的速率將爐溫降至室溫，得到多孔狀陶粒濾料。
[0022]實施例2
按以下配比稱取原料，各成分的用量均為重量份:
污泥40份，高嶺土 30份 ，碳酸鈣20份，活性炭10份，硝酸銅5份，硝酸鋅5份。
[0023]制備步驟如下:
(1)按上述配方將原材料充分混和、攪拌，調制成泥漿，使用造粒機將泥漿制成直徑4_球形顆粒，晾干成坯；
(2)將步驟(1)制得的泥坯置于高溫燒結爐中，在H2氣氛下燒制，以每小時80°C升溫到600°C時，保溫2小時，然后以每小時100°C的升溫速率繼續升溫，直到1000°C，保溫2.5小時，停止加熱，以每小時200°C的速率將爐溫降至室溫，得到多孔狀陶粒濾料。
[0024]實施例3
按以下配比稱取原料，各成分的用量均為重量份:
污泥30份，膨潤土 40份，碳酸鈣10份，木屑15份，硝酸銅8份，硝酸鋅8份。
[0025]制備步驟如下:
(1)按上述配方將原材料充分混和、攪拌，調制成泥漿，使用造粒機將泥漿制成直徑2_球形顆粒，晾干成坯；
(2)將步驟(1)制得的泥坯置于高溫燒結爐中，在N2氣氛下燒制，以每小時80°C升溫到600°C時，保溫1.5小時，然后以每小時100°C的升溫速率繼續升溫，直到1100°C，保溫2.5小時，停止加熱，以每小時200°C的速率將爐溫降至室溫，得到多孔狀陶粒濾料。
[0026]實施例4
按以下配比稱取原料，各成分的用量均為重量份:
污泥30份，活性白土 40份，氫氧化鈣10份，木屑20份，硫酸銅10份，硫酸鋅10份。
[0027]制備步驟如下:
(1)按上述配方將原材料充分混和、攪拌，調制成泥漿，使用造粒機將泥漿制成直徑2_球形顆粒，晾干成坯；
(2)將步驟(1)制得的泥坯置于高溫燒結爐中，在N2氣氛下燒制，以每小時80°C升溫到600°C時，保溫1.5小時，然后以每小時100°C的升溫速率繼續升溫，直到800°C，保溫4小時，停止加熱，以每小時200°C的速率將爐溫降至室溫，得到多孔狀陶粒濾料。
[0028]實施例5按以下配比稱取原料，各成分的用量均為重量份:
污泥50份，膨潤土 25份，氫氧化鈣15份，活性炭20份，醋酸銅5份，醋酸鋅8份。
[0029]制備步驟如下:
(1)按上述配方將原材料充分混和、攪拌，調制成泥漿，使用造粒機將泥漿制成直徑2_球形顆粒，晾干成坯；
(2)將步驟(1)制得的泥坯置于高溫燒結爐中，在N2氣氛下燒制，以每小時80°C升溫到600°C時，保溫1.5小時，然后以每小時100°C的升溫速率繼續升溫，直到1020°C，保溫3小時，停止加熱，以每小時200°C的速率將爐溫降至室溫，得到多孔狀陶粒濾料。
[0030]實施例6
按以下配比稱取原料，各成分的用量均為重量份:
污泥50份，活性白土 28份，氫氧化鈣20份，木屑18份，硫酸銅8份，硫酸鋅8份。
[0031]制備步驟如下:
(1)按上述配方將原材料充分混和、攪拌，調制成泥漿，使用造粒機將泥漿制成直徑2_球形顆粒，晾干成坯；
(2)將步驟(1)制得的泥坯置于高溫燒結爐中，在N2氣氛下燒制，以每小時80°C升溫到600°C時，保溫1.5小時，然后以每小時100°C的升溫速率繼續升溫，直到1100°C，保溫2.5小時，停止加熱，以每小時200°C的速率將爐溫降至室溫，得到多孔狀陶粒濾料。
`[0032]實施例7
用實施例3制備的陶粒濾料對水中的六價鉻離子進行了靜態吸附實驗。
[0033]設備及樣品:2L燒杯，重鉻酸鉀2.8317g，去離子水I升，Cr6+標液，Ig實施例3所述陶粒濾料，磁力攪拌器，電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS)
實驗過程:
將2.8317g重鉻酸鉀溶解在I升去離子水中，取出15ml作為原液，送檢。
[0034]將Ig實施例3所述陶粒濾料加入燒杯中，攪拌吸附24小時后，取15ml溶液作為濾液，送檢。
[0035]使用ICP-MS分析鉻原液及濾液中鉻六價離子濃度。
[0036]實驗結果:原液鉻六價離子濃度為0.083%,濾液鉻六價離子濃度為0.0005%,計算得到實施例3制備的陶粒濾料對鉻六價離子的去除率為99.39%。(該結果由河南省疾控中心給出)。
【權利要求】
1.一種從水中濾除鉻的陶粒濾料，其特征是由以下原料燒制而成，各成分的用量均為重量份: 污泥和粘土 70-80份，碳酸鈣或氫氧化鈣10-20份，木屑或活性炭10-20份，銅鹽和鋅鹽各5_10份。
2.如權利要求書I所述的從水中濾除鉻的陶粒濾料，其特征在于原料中的粘土為高嶺土、膨潤土或活性白土中的至少一種。
3.如權利要求書I所述的從水中濾除鉻的陶粒濾料，其特征在于原料中污泥和粘土的重量份比介于1:1-2:1之間。
4.如權利要求書I所述的從水中濾除鉻的陶粒濾料，其特征在于原料中的銅鹽和鋅鹽為硝酸鹽、硫酸鹽、醋酸鹽。
5.如權利要求1-4任意一項所述的從水中濾除鉻的陶粒濾料的制備方法，其特征在于包括如下步驟: (1)按上述配方將原材料充分混和、攪拌，調制成泥漿，使用造粒機將泥漿制成所需形狀的泥粒，晾干成坯； (2)將步驟(1)制得的泥坯置于高溫燒結爐中，在缺氧或還原氣氛下燒制，升溫速率不超過每小時100°C，在爐溫達到550-600°C時，保溫1.5-2小時，接著以每小時100°C的升溫速率繼續升溫，直到800-1100°C，保溫2.5-4小時，停止加熱，以每小時150-200°C的速率將爐溫降至室溫，得到多孔狀陶粒 濾料。
6.如權利要求書5所述從水中濾除鉻的陶粒濾料的制備方法，其特征在于步驟(2)中所述缺氧或還原氣氛可為真空、氮氣氛、氬氣氛、氫氣氛。
【文檔編號】B01D39/20GK103496946SQ201310437630
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年9月24日 優先權日:2013年9月24日
【發明者】蘇磊, 王永強, 楊坤 申請人:蘇磊, 王永強, 楊坤