CN103638902A - 一种载镧磁性碳气凝胶微球除氟吸附剂及制备方法 - Google Patents
一种载镧磁性碳气凝胶微球除氟吸附剂及制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种载镧磁性碳气凝胶微球除氟吸附剂及制备方法,该方法包括:1)将反相乳液聚合法制备出碳气凝胶微球加入到含铁盐的溶液中,通过液相化学沉淀法制得负载磁性Fe3O4的二元混合物;2)将磁性负载混合物加入到镧盐水溶液中,放置,制备出三元混合物;3)将三元混合物进行干燥、煅烧,制备出除氟的微球吸附剂。本发明制备的微球对氟离子最大吸附容量达到了113.5mg/g--,回收利用简单,外加磁铁就可以轻松将分离,省去了繁琐、耗能的抽滤分离或离心分离过程,强度高,长期使用不破碎,质量损失小,无溶出,无二次污染问题,安全可靠,适于长期和在水流压力变化较大的情况下使用。
Description
技术领域
本发明属于吸附材料技术领域,特别涉及一种载镧磁性碳气凝胶微球除氟吸附剂及制备方法。
背景技术
氟是人体必需的微量元素之一,在人体中主要分布与骨骼和牙齿中。适量的氟能增强骨骼的坚固性,有一定的防治龋齿功效。成人每日氟化物的摄入量一般为1.0-1.5mg,饮用水适宜的氟质量浓度为0.5-1.0mg/L。但是摄入的氟过多又会损害人体健康,引发氟斑牙和氟骨症,严重的可引起人体腰腿酸疼,关节僵硬,驼背甚至截瘫,还可以引起甲状腺功能失调,肾功能障碍等。
高氟水在我国分布广泛,遍及27个省、市和自治区,据***的调查结果显示:全国约有7700万人饮用含氟量超过1.0mg/L的水,其中近500万人的饮用水含氟量超过5.0mg/L。在我国内蒙古地区调查研究发现,长期饮用氟离子浓度10mg/L左右的井水的人群中患轻度氟斑牙的概率已接近50%,饮用水含氟量为5-6mg/L地下水10年会普遍导致氟斑牙。另外,动物实验表明,高氟可促使成铝的大量吸收与蓄积,易引起老年痴呆症及人体衰老。
因此饮用高氟水导致的健康问题已引起各国政府和民众的关注。世界卫生组织(WHO) 将饮用水氟的限值规定为0.6-1.5mg/L,我国于2007年7月1日正式实施的饮用水卫生标准(GB5479-2006),规定生活饮用水氟的限值为1.0mg/L。严格标准的实施,对高氟水处理技术提出了更高的要求。目前,饮用水除氟方法主要有化学沉淀法、吸附过滤法,此外还有离子交换法、电渗析法、反渗透法、电凝聚法、电吸附法等,其中吸附法因其去除效率高、效果稳定而成为常用的除氟方法。
吸附法的关键在于吸附材料的性能,但是,目前吸附法除氟材料的研发和实际应用存在如下问题:
(1) 除氟吸附剂的吸附容量低,导致吸附过程消耗大量的吸附剂;
(2) 一些纳米除氟吸附剂尺寸较小,在吸附完成后不易于固液分离,在吸附工艺和装备的设计方面存在困难;
(3) 一些纳米吸附剂通过粘结成型后,吸附量急剧下降;
(4) 一些成型的吸附剂强度差、易破碎;在吸附塔/罐/柱内装填使用时,存在因吸附床层自重、静水压力,处理过程水流动能、反冲过程瞬时高速水流功能导致吸附剂颗粒破碎的问题,一方面会导致吸附剂流失,***不能长久有效运行;另一方面短期内出水浊度升高,化学元素溶出释放导致饮水安全隐患;
(5) 一些成型过程和成型材料含有有害物质,不能保障饮水安全。
碳气凝胶(Carbon Aerogels)是一种新型轻质纳米级多孔性非晶碳素材料,它是具有超低密度和多孔性的固体材料,孔隙率可以达到80% - 99.8%,孔径一般为1 - 100nm,比表面积在500 - 1200 m2/g之间,密度的变化范围可达0.001 - 0.5g/cm3。碳气凝胶可以制备出不同粒径的微球,中国专利(公开号:CN 1011041430 A)专利公布了一种球状碳气凝胶的制备方法:以苯酚-三聚氰胺-甲醛为原料,预聚合形成溶胶,加入到含表面活性剂的分散相中,受搅拌作用形成悬浮体系,在60-85℃下发生溶胶-凝胶转变成球形水凝胶,然后水凝胶经过有机溶剂转换和超临界干燥制得球状有机气凝胶,再将其进行高温裂解制得球状碳气凝胶。溶胶-凝胶过程中通过控制搅拌转速可以得到球径为0.01-3mm之间的碳气凝胶微球。碳气凝胶具有许多优异的力学、电学和化学性能,可以广泛应用于吸附材料、电池材料、电极材料、化学传感器等领域。
镧作为一种稀土元素,研究表明,稀土元素的氧化物对氟离子具有较高的吸附选择性,将其负载在碳气凝胶材料上可以提高该材料对氟的吸附量和选择性。例如,中国专利(公开号:CN 101234792 A)报道了一种负载镧的氧化铝去除水体中氟离子的方法。具体方法是:氧化铝与镧盐按 1-4:1 的质量比混合并在170-400℃下焙烧。制得的负载镧氧化物的氧化铝用于水体中氟离子的去除效果明显优于传统吸附材料,最大吸附容量达到了80.8mg/g。中国专利(公开号:CN 101780397 A)报道了一种用于除氟的负载镧的沸石的制备方法:在原料沸石中加入氯化镧溶液,用28 wt%的浓氨水调节溶液pH,浸渍搅拌后除去滤液,烘干,高温灼烧。冷却后清洗残留的镧离子,烘干,得到负载氧化镧的沸石。此方法制备得到的负载氧化镧的沸石对氟离子的去除效果较好最大吸附容量达到了7.69mg/g,并且适用于不同浓度、不同硬度的水质。但是上述的方法都比较繁琐,并且对氟离子的吸附能力还有待提高。
在环境领域磁性微球材料用作吸附剂具有传质速率高、固液接触好、压降低、在外加磁场作用下即能轻易分离等优点,磁性吸附剂可用于吸附水溶液和工业废气中的污染物。吸附完成后,吸附剂可通过简单的磁过程加以分离。
目前报道得较多的磁性纳米颗粒主要是纳米零价铁、Fe3O4和γ-Fe2O3纳米颗粒等。往碳材料上负载金属或金属氧化物的方法主要有同步负载法、液相化学沉积法、浸渍法、溶胶-凝胶法、水热合成法和气相化学沉积法等。例如,中国专利(公开号:CN 101503579 A)报道了一种碳纳米管表面负载磁性合金粒子复合材料的制备方法:将碳纳米管经过纯化、活化处理之后均匀地分散到铁、钴、镍的氯盐溶液中,剧烈搅拌过程中向溶液缓慢滴加碱性溶液,调节溶液pH值使铁、钴、镍离子按照配制溶液时的合金比例以氢氧化物的形式共沉淀到碳纳米管表面。利用离心或者过滤取出沉淀物。将沉淀物干燥后在还原性气氛下热处理,即得到负载磁性合金纳米粒子的碳纳米管复合材料。中国专利(公开号:CN 101823777 A)报道了一种负载磁性Fe3O4颗粒的介孔碳CMK-3的制备方法:以介孔碳材料CMK-3为载体,具有磁性的活性金属氧化物四氧化三铁(Fe3O4)为负载对象,乙二醇为还原剂,利用等体积浸渍法和在惰性气体中焙烧的方法,将Fe3O4颗粒负载入介孔碳CMK-3的介孔孔道内。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术存在的问题提供一种载镧磁性碳气凝胶微球除氟吸附剂及制备方法。本发明方法制备的载镧磁性碳气凝胶微球除氟吸附能力强,易分离,质量损失小,无溶出,无二次污染问题,安全可靠,适于长期和在水流压力变化较大的情况下使用。
为实现本发明的目的,本发明一方面提供一种载镧磁性碳气凝胶微球除氟吸附剂及制备方法,包括如下顺序进行的步骤:
1)采用反相乳液聚合法制备出碳气凝胶微球;
2)将步骤1)中制备的碳气凝胶微球加入到含铁盐的溶液中,搅拌,升温至80℃加入碱液,反应一定时间。通过液相化学沉淀法制得负载磁性Fe3O4的二元混合物碳气凝胶;
3)将步骤2)中制备的磁性负载混合物加入到镧盐水溶液中,放置,制备出三元混合物;
4)将步骤3)中制备的三元混合物进行干燥、煅烧而成。
其中步骤1)所述的碳气凝胶微球制备过程如下:将间苯二酚、甲醛、无水碳酸钠按比例加入到适量蒸馏水中溶解,转入一定体积含表面活性剂的分散相中,在80℃下控制转速搅拌一段时间,得到分散的有机湿凝胶微球。过滤分离上述有机湿凝胶微球,用蒸馏水洗涤3-5遍。将得到的有机湿凝胶微球置入丙酮中进行溶剂置换,然后在通风橱中进行常温常压干燥,最后在惰性气体保护下高温碳化即可得到碳气凝胶微球。
特别是,所述的碳气凝胶微球粒度形貌如图1的扫描电镜(SEM)图像所示,其粒度大约10-80μm,孔隙率为80%-98%,典型孔隙尺寸小于50nm,比表面积高达600-1000m2/g,密度为0.05-0.80g/cm3。
其中,步骤2)中碳气凝胶微球与磁性材料Fe3O4的重量份之比为5-45:55-95。
其中,步骤3)中所述的镧盐水溶液的浓度为0.1-1.5mol/L,镧盐优选为硝酸镧。
特别是,放置时间为24-72小时。
特别是,还包括对三元混合物进行干燥,其中干燥处理的温度为60-120℃,时间为10-24小时。
尤其是,所述的煅烧处理是将干燥后的除氟三元混合物放入马弗炉,加热至450-600℃,保温处理3-10小时。
本发明另一方面提供一种按照上述方法制备而成的除氟载镧磁性碳气凝胶微球吸附剂。
本发明制备的载镧磁性碳气凝胶微球吸附剂具有如下优点:
1、本发明的载镧磁性碳气凝胶微球吸附剂的离子选择性好,针对其目标去除离子(氟离子)有较高的选择性,水中其他常见阴离子在饮用水范围内均无明显影响;
2、本发明除氟载镧磁性碳气凝胶通过共价键化学吸附、静电吸附作用、离子交换吸附等作用,吸附和固定饮用水中的氟化合物,对氟的吸附容量高,在pH为中性条件下,磁性碳气凝胶微球吸附剂的饱和吸附容量为113.5mg/g;
3、本发明的载镧磁性碳气凝胶微球吸附剂的磁性高,其饱和磁化值大于77emu/g---,吸附后易于分离;
4、本发明的载镧磁性碳气凝胶微球吸附剂的内聚强度高,破碎强度高,干态压缩强度达到45N以上,长期使用不破碎,适于长期和在水流压力变化较大的情况下使用;
5、本发明的载镧磁性碳气凝胶微球吸附剂使用过程中质量损失小,无溶出,不溶胀,无毒害,无二次污染问题,处理后水质安全可靠。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明,本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
载镧磁性碳气凝胶微球除氟吸附剂及制备方法包括以下步骤:
1、制备碳气凝胶微球
将间苯二酚、甲醛、无水碳酸钠按摩尔比1:2:0.01溶于适量蒸馏水中,搅拌溶解,得到水溶胶。把溶解后的溶液转移至体积比为1:100的含SPAN-80的分散相环己烷溶液中,80℃下120r/min的转速搅拌,直至形成分散有机湿凝胶颗粒。过滤分离得到的有机湿凝胶颗粒经丙酮浸泡3天后置于通风橱中自然干燥至恒重得干凝胶微球,干凝胶微球在N2保护下850℃碳化裂解5小时得到碳气凝胶微球。该碳气凝胶微球的粒径为40-60μm,比表面积为605m2/g;
2、碳气凝胶微球负载磁性纳米Fe3O4颗粒
将FeCl2.4H2O和FeCl3.6H2O以摩尔比1:2加入到适量蒸馏水中溶解,加入步骤1中制备的碳气凝胶微球2g,搅拌,升温至80 ℃时加入5ml氨水,继续反应1小时得到负载磁性的碳气凝胶微球,利用磁铁分离磁性碳气凝胶微球,蒸馏水洗涤至中性,60℃烘干,备用;
3、磁性碳气凝胶微球负载镧
将步骤2中制得的磁性碳气凝胶微球浸泡在适当体积的0.5mol/L--硝酸镧溶液中,放置24小时,利用磁铁分离,60℃烘干,450℃下活化10小时,得到可用于水体中氟离子去除的负载镧的磁性碳气凝胶微球,其饱和磁化值达到了79.2 emu/g---,干态压缩强度>45N;
载镧磁性碳气凝胶微球吸附剂应用:
取0.1g制得的载镧磁性碳气凝胶微球吸附剂置于100ml氟离子浓度为1-200mg/L的溶液中,室温下振荡吸附24小时后,利用磁铁分离后测定溶液氟离子浓度并计算吸附容量,根据Langmuir方程拟合计算出该新型磁性碳气凝胶微球吸附剂对氟的最大吸附容量为92mg/g。
实施例2
载镧磁性碳气凝胶微球除氟吸附剂及制备方法包括以下步骤:
1、制备碳气凝胶微球
将间苯二酚、甲醛、无水碳酸钠按摩尔比1:2:0.02溶于适量蒸馏水中,搅拌溶解,得到水溶胶。把溶解后的溶液转移至体积比为2:100的含SPAN-80的分散相环己烷溶液中,70℃下240 r/min的转速搅拌,直至形成分散有机湿凝胶颗粒。过滤分离得到的有机湿凝胶颗粒经丙酮浸泡2天后置于通风橱中自然干燥至恒重得干凝胶微球,干凝胶微球在N2保护下950℃碳化裂解4小时得到碳气凝胶微球。该碳气凝胶微球的粒径为30-45μm,比表面积为550 m2/g;
2、碳气凝胶微球负载磁性纳米Fe3O4颗粒
将FeSO4.7H2O和Fe2(SO4)3以摩尔比1:1加入到适量蒸馏水中溶解,加入步骤1中制备的碳气凝胶微球3g,搅拌,升温至80℃时加入适量0.5mol/LNaOH溶液,继续反应1小时得到负载磁性的碳气凝胶微球,利用磁铁分离磁性碳气凝胶微球,蒸馏水洗涤至中性,60℃烘干,备用;
3、磁性碳气凝胶微球负载镧
将步骤2中制得的磁性碳气凝胶微球浸泡在适当体积的0.5mol/L硫酸镧溶液中,放置48小时,利用磁铁分离,80℃烘干,550℃下活化8小时,得到可用于水体中氟离子去除的负载镧的磁性碳气凝胶微球,其饱和磁化值达到了77.4emu/g---,干态压缩强度>45N;
载镧磁性碳气凝胶微球吸附剂应用:
取0.1g制得的载镧磁性碳气凝胶微球吸附剂置于100ml氟离子浓度为1-200mg/L的溶液中,室温下振荡吸附24小时后,利用磁铁分离后测定溶液氟离子浓度并计算吸附容量,根据Langmuir方程拟合计算出该新型磁性碳气凝胶微球吸附剂对氟的最大吸附容量为95mg/g。
实施例3
载镧磁性碳气凝胶微球除氟吸附剂及制备方法包括以下步骤:
1、制备碳气凝胶微球
将间苯二酚、甲醛、无水碳酸钠按摩尔比1:2:0.01溶于适量蒸馏水中,搅拌溶解,得到水溶胶。把溶解后的溶液转移至体积比为5:100的含SPAN-80的分散相环己烷溶液中,80℃下480 r/min的转速搅拌,直至形成分散有机湿凝胶颗粒。过滤分离得到的有机湿凝胶颗粒经丙酮浸泡3天后置于通风橱中自然干燥至恒重得干凝胶微球,干凝胶微球在N2保护下1050℃碳化裂解3小时得到碳气凝胶微球。该碳气凝胶微球的粒径为20-32μm,比表面积500 m2/g;
2、碳气凝胶微球负载磁性纳米Fe3O4颗粒
将FeSO4.7H2O和Fe2(SO4)3以摩尔比1:1加入到适量蒸馏水中溶解,加入步骤1中制备的碳气凝胶微球4g,搅拌,升温至80℃时加入30ml氨水,继续反应1.5小时得到负载磁性的碳气凝胶微球,利用磁铁分离磁性碳气凝胶微球,蒸馏水洗涤至中性,60℃烘干,备用;
3、磁性碳气凝胶微球负载镧
将步骤2中制得的磁性碳气凝胶微球浸泡在适当体积的1 mol/L硝酸镧溶液中,放置72小时,利用磁铁分离,80℃烘干,600℃下活化6小时,得到可用于水体中氟离子去除的负载镧的磁性碳气凝胶微球,其饱和磁化值达到了79emu/g---,干态压缩强度>46N;
载镧磁性碳气凝胶微球吸附剂应用:
取0.1g制得的载镧磁性碳气凝胶微球吸附剂置于100ml氟离子浓度为1-200mg/L的溶液中,室温下振荡吸附24小时后,利用磁铁分离后测定溶液氟离子浓度并计算吸附容量,根据Langmuir方程拟合计算出该新型磁性碳气凝胶微球吸附剂对氟的最大吸附容量为97mg/g。
实施例4
载镧磁性碳气凝胶微球除氟吸附剂及制备方法包括以下步骤:
1、制备碳气凝胶微球
将间苯二酚、甲醛、无水碳酸钠按摩尔比1:2:0.01溶于适量蒸馏水中,搅拌溶解,得到水溶胶。把溶解后的溶液转移至体积比为2:100的含SPAN-80的分散相环己烷溶液中,80℃下480 r/min的转速搅拌,直至形成分散有机湿凝胶颗粒。过滤分离得到的有机湿凝胶颗粒经丙酮浸泡3天后置于通风橱中自然干燥至恒重得干凝胶微球,干凝胶微球在N2保护下950℃碳化裂解5小时得到碳气凝胶微球。该碳气凝胶微球的粒径为20-25μm,比表面积为550 m2/g;
2、碳气凝胶微球负载磁性纳米Fe3O4颗粒
将FeCl2.4H2O和FeCl3.6H2O以摩尔比1:2加入到适量蒸馏水中溶解,加入步骤1中制备的碳气凝胶微球2g,搅拌,升温至80℃时加入10ml氨水,继续反应2小时得到负载磁性的碳气凝胶微球,利用磁铁分离磁性碳气凝胶微球,蒸馏水洗涤至中性,60℃烘干,备用;
3、磁性碳气凝胶微球负载镧
将步骤2中制得的磁性碳气凝胶微球浸泡在适当体积的1mol/L硫酸镧溶液中,放置72小时,利用磁铁分离,120℃烘干,650℃下活化4小时,得到可用于水体中氟离子去除的负载镧的磁性碳气凝胶微球,其饱和磁化值达到了79.2emu/g---,干态压缩强度>48N;
载镧磁性碳气凝胶微球吸附剂应用:
取0.1g制得的载镧磁性碳气凝胶微球吸附剂置于100ml氟离子浓度为1-200mg/L的溶液中,室温下振荡吸附24小时后,利用磁铁分离后测定溶液氟离子浓度并计算吸附容量,根据Langmuir方程拟合计算出该新型磁性碳气凝胶微球吸附剂对氟的最大吸附容量为113.5 mg/g。
实施例5
载镧磁性碳气凝胶微球除氟吸附剂及制备方法包括以下步骤:
1、制备碳气凝胶微球
将间苯二酚、甲醛、无水碳酸钠按摩尔比1:2:0.01溶于适量蒸馏水中,搅拌溶解,得到水溶胶。把溶解后的溶液转移至体积比为10:100的含SPAN-80的分散相环己烷溶液中,80℃下480 r/min的转速搅拌,直至形成分散有机湿凝胶颗粒。过滤分离得到的有机湿凝胶颗粒经丙酮浸泡3天后置于通风橱中自然干燥至恒重得干凝胶微球,干凝胶微球在N2保护下1050℃碳化裂解2小时得到碳气凝胶微球。该碳气凝胶微球的粒径为16-25μm,比表面积为660 m2/g;
2、碳气凝胶微球负载磁性纳米Fe3O4颗粒
将FeCl2.4H2O和FeCl3.6H2O以摩尔比1:2加入到适量蒸馏水中溶解,加入步骤1中制备的碳气凝胶微球6g,搅拌,升温至80℃时加入20ml氨水,继续反应4小时得到负载磁性的碳气凝胶微球,利用磁铁分离磁性碳气凝胶微球,蒸馏水洗涤至中性,60℃烘干,备用;
3、磁性碳气凝胶微球负载镧
将步骤2中制得的磁性碳气凝胶微球浸泡在适当体积的1mol/L硝酸镧溶液中,放置24小时,利用磁铁分离,80℃烘干,500℃下活化6小时,得到可用于水体中氟离子去除的负载镧的磁性碳气凝胶微球。其饱和磁化值达到了78.5emu/g---,干态压缩强度>48N;
载镧磁性碳气凝胶微球吸附剂应用:
取0.1 g制得的载镧磁性碳气凝胶微球吸附剂置于100ml氟离子浓度为1-200mg/L的溶液中,室温下振荡吸附24小时后,利用磁铁分离后测定溶液氟离子浓度并计算吸附容量,根据Langmuir方程拟合计算出该新型磁性碳气凝胶微球吸附剂对氟的最大吸附容量为106mg/g。
Claims (9)
1.一种载镧磁性碳气凝胶微球除氟吸附剂的制备方法,包括如下顺序进行的步骤:
1)将反相乳液聚合法制备出碳气凝胶微球加入到含铁盐的溶液中,搅拌,升温至80℃加入碱液,反应一定时间,通过液相化学沉淀法制得负载磁性Fe3O4的二元混合物;
2)将步骤1)中制备的磁性负载混合物加入到镧盐水溶液中,放置,制备出三元混合物;
3)将步骤2)中制备的三元混合物进行干燥、煅烧而成。
2.如权利要求1所述的制备方法,其特征是步骤1)中所述的碳气凝胶微球可以通过以下过程完成:将间苯二酚、甲醛、无水碳酸钠按比例加入到适量蒸馏水中溶解,转入一定体积含表面活性剂的分散相中,在80℃下控制转速搅拌一段时间,得到分散的有机湿凝胶微球;过滤分离上述有机湿凝胶微球,用蒸馏水洗涤3~5遍;将得到的有机湿凝胶微球置入丙酮中进行溶剂置换,然后在通风橱中进行常温常压干燥,最后在惰性气体保护下高温碳化即可得到碳气凝胶微球。
3.如权利要求1或2所述的制备方法,其特征是步骤2)中碳气凝胶微球与磁性材料Fe3O4的重量份之比为5-45:55-95。
4.如权利要求1或2所述的制备方法,其特征是步骤2)中所述的碳气凝胶微球负载磁性Fe3O4的反应时间为1-4小时。
5.如权利要求1或2所述的制备方法,其特征是步骤3)中所述的镧盐水溶液的浓度为0.5-1.5 mol/L。
6.如权利要求1或2所述的制备方法,其特征是步骤3)中所述的二元混合物在镧盐水溶液中放置的时间为24-72小时。
7.如权利要求1或2所述的制备方法,其特征是步骤4)中所述干燥温度为60-120℃,干燥时间为10-24小时。
8.如权利要求1或2所述的制备方法,其特征是步骤4)中所述煅烧温度为450-600℃,煅烧时间为3-10小时。
9.一种用于氟离子去除的载镧磁性碳气凝胶微球吸附剂,其特征在于按照权利要求1~8任一所述的方法制备而成。
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