用于吸附污廢水中重金屬離子的復合材料的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明的技術方案涉及多孔固體吸附劑復合物，具體地說是用于吸附污廢水中重金屬離子的復合材料的制備方法。
【背景技術】
[0002]隨著工農業的快速發展和現代化進程的加快，工業廢水的排污量也與日俱增。工業廢水的排放嚴重地影響到人們日常生活飲水的品質，特別是重金屬污廢水的排放和污染已成為人們十分關注的環境問題。重金屬污廢水主要來自兩方面:一是人類的各種生產活動排放了大量的重金屬物質流入到湖泊、河流、海洋和地下等地區，造成了水體污染，致使水體的物理化學性質及水體中的生物群落發生改變，降低了水體利用價值；二是在我國一些以粗放型經濟方式為主的地區，個別企業忽視生態環境，只求利潤最大化，再加之對含重金屬的原料的利用效率低，造成單位產值排放過量的含重金屬污廢水。重金屬污廢水毒性強，而且還具有持久性和不可降解等特點，在自然界中過量富集會對環境和人體造成極大的危害，因此，研發出高效且便于回收的用于從污廢水中吸附重金屬離子的吸附劑非常重要。
[0003]天然礦物納米纖維材料吸附劑具有獨特的結構，因而具有良好的吸附和離子交換性能，而且價格低廉，儲量豐富，使其在污廢水處理中具有較好的應用前景。泡沫碳是一種以碳原子為骨架，碳原子之間相互堆積而形成的多孔網狀結構的輕質固態碳材料。碳泡沫具有較高的化學穩定性，較大的比表面積，較低的熱膨脹系數和較高的孔隙等特性，應用范圍非常廣泛。然而，由于粉末狀天然礦物納米纖維材料具有極強的吸水性，吸水后黏度大，分離回收性能差，雖然成型天然礦物納米纖維材料解決了分離難題，但吸附性能又不及粉末狀礦物納米纖維材料優良。CN102600803A公開了用于含重金屬廢水處理的吸附劑的制備方法，選取城市生活污水處理廠脫水污泥為原料，通過堿液提取、乙醇沉淀、離心分離、和低溫干燥的步驟制備得到一種用于含重金屬廢水處理的吸附劑。其缺陷是:①采用脫水污泥，經過脫水后，視污泥和沉渣的性質和脫水設備的效能而決定其污泥含水率可降低到55%?80%，制備工藝需要的條件較為復雜，功耗大，成本高，不利于工業化生產；?產品的吸附效率不尚。
【發明內容】
[0004]本發明所要解決的技術問題是:提供用于吸附污廢水中重金屬離子的復合材料的制備方法，所述復合材料是礦物納米纖維與泡沫碳的復合材料，選取原料為廉價且具有良好吸附作用的礦物纖維粉體，并對其進行深加工處理，制備出具有內部多孔結構的礦物納米纖維粉體，再與模板法制備的輕質多孔泡沫碳進行復合，燒制成塊體，很好地克服了現有用于含重金屬廢水處理的吸附劑吸附效率不高、制備工藝需要的條件復雜、功耗大、成本高和不便于回收的缺陷。
[0005]本發明解決該技術問題所采用的技術方案是:用于吸附污廢水中重金屬離子的復合材料的制備方法，所述復合材料是礦物納米纖維粉體與泡沫碳的復合材料，具體步驟如下:
[0006]第一步，制備具有內部多孔結構的礦物納米纖維粉體:
[0007]取300?500g已過20?30目篩的礦物纖維粉體置于5000mL的燒杯中，加入2500?3500mL的去離子水和250?350mL質量百分比濃度為36%的鹽酸溶液，以1200?1700r/min的轉速高速分散0.5?1.5h成漿液，將該漿液反復抽濾洗滌，直至pH值為中性，得到濾餅；將該濾餅置于烘箱中在60?80°C溫度下烘24h至干燥，然后研磨過20?30目篩，再用氣流磨進行超音速氣流深度解束的處理，制得具有內部多孔結構的礦物納米纖維粉體，其粒度為1nm?50nm，孔徑為2nm?50nm，待用；
[0008]第二步，模板法制備質輕且多孔的泡沫碳:
[0009](2.1)配制聚酰胺酸溶液:在500mL燒杯中，加入分析純的N，N-二甲基乙酰胺40?96mL，再將濃度為24被％的聚酰胺酸溶液20?30mL倒入此燒杯，攪拌均勻后，得到濃度為5?15wt%的聚酰胺酸溶液，
[0010](2.2)聚氨酯泡沫的浸漬:將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漬0.5?1.5h，得到聚氨酯泡沫與液態碳源的復合物泡沫體，
[0011](2.3)復合物泡沫體的擠壓:取出(2.2)步中浸漬聚酰胺酸溶液得到的聚氨酯泡沫與液態碳源的復合物泡沫體，用模具在10?15MPa下進行擠壓，
[0012](2.4)復合物泡沫體的干燥:將(2.3)步擠壓后的復合物泡沫體放入真空干燥箱，在60?80°C下干燥8?12h，真空度為lOOPa，
[0013](2.5)復合物泡沫體的炭化:將固化后的復合物泡沫體置于石英舟中，在管式電阻爐內以10?20°C /min的速度升溫，于氣流率為30?40mL/min的氮氣氣氛中進行炭化處理，條件是，炭化終溫為800?1000°C，恒溫時間為I?2h，然后自然冷卻至室溫后制得質輕且多孔的泡沫碳；
[0014]第三步，礦物納米纖維粉體與泡沫碳復合:
[0015]把第一步制得的礦物納米纖維粉體置于500mL燒杯中，加去離子水配成混合液，固液質量比為1:10，把第二步制得的質輕且多孔的泡沫碳放入上述混合液中浸漬
0.5-1.5h后取出，礦物納米纖維粉體與泡沫碳的質量比為1:1?2，放入箱式爐里進行400?600°C燒結，保溫2?3h，制得用于吸附污廢水中重金屬離子的復合材料，所述復合材料是礦物納米纖維粉體與泡沫碳的復合材料。
[0016]上述用于吸附污廢水中重金屬離子的復合材料的制備方法，所述礦物纖維粉體為海泡石纖維粉體或坡縷石纖維粉體。
[0017]本發明的有益效果是:與現有技術相比，本發明的突出的實質性特點和顯著進步如下:
[0018](I)由于本發明方法將礦物纖維粉體制成了具有內部多孔結構的礦物納米纖維粉體，該粉體與質輕多孔的泡沫碳塊狀基體起到吸附重金屬離子的協同作用，在去除重金屬離子的效率無論從吸附性理論上看，還是在實踐應用中均得到顯著提高，比單獨的礦物納米纖維粉體的吸附效率提高150%，并且尚未見到有相關研宄的報道。
[0019](2)本發明方法制備的用于吸附污廢水中重金屬離子的復合材料質輕多孔，且為塊體，非常便于回收再利用。
[0020](3)本發明方法選取原料為廉價且具有良好吸附作用的礦物纖維粉體，并對其進行深加工處理，制備出具有內部多孔結構的礦物納米纖維粉體，再與模板法制備的輕質多孔泡沫碳進行復合，燒制成塊體，很好地克服了現有用于含重金屬廢水處理的吸附劑吸附效率不高、制備工藝需要的條件復雜、功耗大、成本高和不便于回收的缺陷。
【具體實施方式】
[0021]實施例1
[0022]第一步，制備具有內部多孔結構的礦物納米纖維粉體:
[0023]取300g已過20目篩的海泡石纖維粉體置于5000mL的燒杯中，加入2500mL的去離子水和250mL質量百分比濃度為36%的鹽酸溶液，以1200r/min的轉速高速分散0.5h成漿液，將該漿液反復抽濾洗滌，直至PH值為中性，得到濾餅；將該濾餅置于烘箱中在60°C溫度下烘24h至干燥，然后研磨過20目篩，再用氣流磨進行超音速氣流深度解束的處理，制得具有內部多孔結構的海泡石納米纖維粉體，其粒度為1nm?50nm，孔徑為2nm?50nm，待用；
[0024]第二步，模板法制備質輕且多孔的泡沫碳:
[0025](2.1)配制聚酰胺酸溶液:在500mL燒杯中，加入分析純的N，N-二甲基乙酰胺96mL，再將濃度為24wt%的聚酰胺酸溶液20mL倒入此燒杯，攪拌均勻后，得到濃度為5wt%的聚酰胺酸溶液，
[0026](2.2)聚氨酯泡沫的浸漬:將0.1g的聚氨酯泡沫在(2.1)步所得的聚酰胺酸溶液中浸漬0.5h，得到聚氨酯泡沫與液態碳源的復合物泡沫體，
[0027](2.3)復合物泡沫體的擠壓:取出(2.2)步中浸漬聚酰胺酸溶液得到的聚氨酯泡沫與液態碳源的復合物泡沫體，用模具在1MPa下進行擠壓，
[0028](2.4)復合物泡沫體的干燥:將(2.3)步擠壓后的復合物泡沫體放入真空干燥箱，在60°C下干燥12h，真空度為lOOPa，
[0029](2.5)復合物泡沫體的炭化:將固化后的復合物泡沫體置于石英舟中，在管式電阻爐內以15°C /min的速度升溫，于氣流率為30mL/min的氮氣氣氛中進行炭化處理，條件是，炭化終溫為800°C，恒溫時間為2h，然后自然冷卻至室溫后制得質輕且多孔的泡沫碳；
[0030]第三步，礦物納米纖維粉體與泡沫碳復合:
[0031]把第一步制得的具有內部多孔結構的海泡石納米纖維粉體置于500mL燒杯中，加去離子水配成混合液，固液質量比為1:10，把第二步制得的質輕且多孔的泡沫碳放入上述混合液中浸漬Ih后取出，具有內部多孔結構的海泡石納米纖維粉體與質輕且多孔的泡沫碳的質量比為1:1，放入箱式爐里進行400°c燒結，保溫3h，制得用于吸附污廢水中重金屬離子的復合材料，所述復合材料是海泡石納米纖維粉體與泡沫碳的復合材料。
[0032]用本實施例制得用于吸附污廢水中重金屬離子的復合材料，對含有Ag+、Cd2+、Cr3+等重金屬離子的廢水進行吸附，重金屬離子濃度均為100mg/L，復合材料的用量為廢水重量的1.2%。用稀HCl (0.lmol/L)和NaOH(0.lmol/L)調節pH值為3，復合材料與廢水攪拌分散30分鐘后，沉降過濾，分析上清液中重金屬離子含量。其中Ag+的去除率為90%，Cd2+的去除率為92%，Cr3+的去除率為87%。
[0033]實施例2
[0034]第一步，制備具有內部多孔結構的礦物納米纖維粉體:
[0035]取500g已過20目篩的坡縷石