CN104209083A - 序批式活化净水厂残泥制备重金属吸附剂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种序批式活化净水厂残泥重金属吸附剂的制备方法，属于水处理技术领域。其特征在于将干化、破碎、研磨和混匀后的净水厂残泥，置于600℃的马弗炉中热处理。然后与HCl溶液在室温下混合反应。最后，将混合物直接风干，并再次破碎、研磨和混匀，即得到高效的重金属吸附剂。净水厂残泥在经过热和酸处理后，其铁铝含量明显增高，且对重金属的吸附能力增强。该吸附剂的制备方法简单、成本低廉、环境友好且吸附效果优异，同时解决了净水厂残泥的出路问题，有利于实现“以废治废”的目标，符合循环经济和可持续发展的理念。

Description

序批式活化净水厂残泥制备重金属吸附剂

技术领域

本发明属于水处理技术领域，具体为一种序批式活化净水厂残泥制备重金属吸附剂。

背景技术

我国淡水资源短缺，日益严重的水体污染问题又使这种短缺现象雪上加霜，其中水体重金属污染就是最严重的问题之一。目前，常用的去除重金属技术包括物理、化学和生物三种处理方法，其中，属于物化方法的吸附法因具有不产生二次污染、可再生回收等优点，而备受重视。因此，开发一种高效、稳定的重金属吸附剂具有重要的现实意义。

从已公开的专利来看，研究者常用于制备重金属吸附剂的原料，主要包括化学药物、天然材料以及废弃物三类。以化学药物为原料的重金属吸附剂，如：申请(专利)号CN01127897.8公开了一种以硅胶和壳聚糖为主要原料的重金属吸附剂；申请(专利)号CN201210491301.X公开了一种以硅胶和聚乙烯亚胺水溶液为原料的卷烟烟气重金属吸附剂；申请(专利)号CN200410072743.6公开了一种以聚丁二酰亚胺和有机交联剂为主要原料、以水介质法制备的聚天门冬氨酸重金属吸附树脂；申请(专利)号CN201110276412.4公开了一种以钡盐、硫酸或硫酸盐制备的酸性媒介黑T-硫酸钡重金属吸附剂；申请(专利)号CN201010291406.1公开了一种经环硫氯丙烷与对苯二胺开环和缩聚反应、悬浮聚合制得的微球型贵金属吸附剂；申请(专利)号CN200480031426.8公开了一种利用可部分被脲化的纤维素II磷酸酯制备的金属吸附材料；申请(专利)号CN201010242198.6公开了一种金属离子纳米吸附剂，即在纳米分子筛介孔中分布有螯合剂EDTA；申请(专利)号CN201210076705公开了一种吸附铀螯合纤维吸附剂，是以超高分子量聚乙烯纤维以及含纯丙烯腈单体或丙烯酸与丙烯腈的混合单体的溶液为原料；申请(专利)号CN201010161774.4公开了一种以高分子材料、金属氧化物和造孔剂为原料的重金属吸附剂；申请(专利)号CN201210356668.0公开了一种聚丙烯腈螯合树脂金属吸附剂。

以天然材料为原料的重金属吸附剂，如：申请(专利)号CN200410099361.2公开了一种蒙脱土负载纳米二氧化钛的重金属吸附剂；申请(专利)号CN200580015820.7公开了一种以含硅的硅藻壳形式的天然硅藻土为原料的汞吸附剂组合物；申请(专利)号CN201110133840.1公开了一种利用桉树木材制备的桉树遗态Fe₂O₃/Fe₃O₄复合重金属吸附剂；申请(专利)号CN201110227759.X公开了一种经巯基修饰的以天然黏土海泡石为基体的重金属吸附剂；申请(专利)号CN201110030817.X、申请(专利)号CN201110030830.5和申请(专利)号CN201110030839.6公开的重金属吸附剂均利用了柿单宁这种天然产物；申请(专利)号CN201010227192公开了一种以重晶石矿物材料为主要原料的铬吸附剂；申请(专利)号CN201210446693.8公开了一种利用毛竹材料的毛竹遗态Fe₂O₃/Fe₃O₄复合重金属吸附剂；申请(专利)号CN201210485754.1公开了一种可水凝胶重金属吸附剂，选用生物相容性好的天然高分子材料琼脂、羧甲基纤维素钠及其衍生物、合成高聚物聚乙烯吡咯烷酮、其他天然高分子材料等作为原料。

以废弃物为原料的重金属吸附剂，如：申请(专利)号CN200810034284.0公开了一种以植物纤维性废弃物为主要原料的重金属吸附剂；申请(专利)号CN201110168764.8和申请(专利)号CN201210228281.7公开的重金属吸附剂均以甘蔗渣为主要原料；申请(专利)号CN201210284281公开了一种以木薯秸杆/木薯渣为原料制备的阳离子型离子交换剂；申请(专利)号CN201010574956.4公开了一种以虾壳为主要原料的重金属吸附剂；申请(专利)号CN200910218345.3公开了一种利用湖泊底泥炭化制备的重金属吸附剂；申请(专利)号CN200810240948.9公开了一种利用沼渣制备的重金属吸附剂；申请(专利)号CN201010267517.9公开了一种以糠醛渣为原料的重金属吸附剂；申请(专利)号CN200910096390.6公开了一种以柚皮为主要原料的金属吸附剂；申请(专利)号CN201110204483.3公开了一种以具有氨基基团作为官能基团的藻类或藻类残余物为原料的贵金属吸附剂；申请(专利)号CN201110284628.5公开了一种多孔钛酸钙重金属吸附剂，它是利用糠醛工业的固体废弃物-糠醛渣为模板剂制备的；申请(专利)号CN201210134361.6公开了一种利用改性香菇培养基废料制备的重金属吸附剂。

由以上专利可以看出，以废弃物为原料制备重金属吸附剂越来越受到重视。净水厂残泥是给水处理过程中的安全副产物，主要由原水中杂质以及铁铝絮凝剂水解产生的氢氧化物聚合体组成，这些铁铝成分在净水厂残泥中主要以无定形态存在，具有较强的吸附能力。因此，净水厂残泥可作为制备重金属吸附剂的原材料。

发明内容

本发明提供了一种以净水厂残泥为原料制备高效、稳定的重金属吸附剂的方法。

本发明通过先热处理去除净水厂残泥中大部分有机质和其他与重金属存在竞争作用的杂质，然后，对净水厂残泥再进行酸活化，目的是将矿物晶体态铁和铝转化为活性态，以提高净水厂残泥对重金属的吸附能力，具体技术方案如下：

1)将净水厂残泥经干化、破碎、研磨和混匀；

2)将步骤1)中的残泥置于600℃的马弗炉中进行热处理；

3)将热处理后的净水厂残泥取出，冷却至室温，混匀；

4)取上述净水厂残泥，将其与一定浓度的HCl溶液混匀，净水厂残泥的重量(g)与HCl溶液的体积(mL)比为1∶1，混合物在室温下不断地搅动2h；

5)将上述混合物直接风干；

6)将风干处理后的样品破碎、研磨和混匀，得到净水厂残泥重金属吸附剂。

本发明的优点和有益效果体现在：

1)本发明的原料净水厂残泥，属于净水厂的废弃物，具有分布广、易获取、可利用等优点；

2)本发明的工艺简单、成本低、效率高；

3)本发明通过热和酸连续处理的方式，优化了净水厂残泥的特性，提高了其对重金属的吸附能力；

4)本发明利用净水厂残泥制备重金属吸附剂，有利于实现“以废治废”的目标，符合循环经济的发展要求。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限制。在附图中：

图1为本发明实施例中600℃热活化和2mol L^-1的HCl溶液酸活化前后净水厂残泥的透射电镜图(a为活化前；b为活化后)；

图2为本发明实施例中600℃热活化和2mol L^-1的HCl溶液酸活化前后净水厂残泥的铁和铝含量；

图3为本发明实施例中600℃热活化和2mol L^-1的HCl溶液酸活化前后净水厂残泥的铅吸附容量；

图4为本发明实施例中600℃热活化和2mol L^-1的HCl溶液酸活化前后净水厂残泥的铬吸附容量；

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

以北京市某净水厂的残泥为原料，该残泥中铁和铝的含量分别为150和100mg·g^-1。净水厂残泥经干化、破碎、研磨、混匀，置于马弗炉中进行热活化，温度控制在600℃，加热时间为4h。将热活化后的净水厂残泥取出，置于干燥器中冷却至室温，混匀。然后，取上述净水厂残泥，将其与2mol L^-1的HCl溶液以1∶1的固液比(g mL^-1)混匀，在室温下搅动2h。最后，将混合物直接在室温条件下风干，并将风干后的样品混匀，即得高性能的净水厂残泥重金属吸附剂。

透射电镜分析结果可以看出经热和酸处理后，净水厂残泥的表面更加疏松且多孔(图1)。与处理前相比，处理后的净水厂残泥中铁铝含量均有所增加(图2)，铁的含量增加至247mg·g^-1，铝的含量增加至155mg·g^-1。

除铅效果的确定：称取0.30g活化前后的净水厂残泥于50mL离心管中，分别加入30mL pH为7、含铅(Pb(NO₃)₂)浓度为2070mg L^-1和NaNO₃浓度为0.010mol L^-1的溶液。将含有混合溶液的离心管在25℃、120r·min^-1下恒温振荡24h，之后取上清液过0.45um微孔滤膜测定铅浓度。结果表明(图3)，活化前净水厂残泥对铅的吸附容量为89mg g^-1，而活化后净水厂残泥对铅吸附能力显著增强，吸附容量达到182mgg^-1。

除铬效果的确定：称取0.30g活化前后的净水厂残泥于50mL离心管中，分别加入30mL pH为7、含铬(Cr(NO₃)₃)浓度为520mg L^-1和NaNO₃浓度为0.010mol L^-1的溶液。将含有混合溶液的离心管在25℃、120r·min^-1下恒温振荡24h，之后取上清液过0.45un微孔滤膜测定铬浓度。结果表明(图4)，活化前净水厂残泥对铬的吸附容量为28mg g^-1，而活化后净水厂残泥对铬吸附能力显著增强，吸附容量达到49mgg^-1。可见，600℃热活化和2mol L^-1的HCl酸活化连续作用可以有效改善净水厂残泥的重金属吸附性能。

需要强调的是，上述实施例虽然对本发明作了比较详细的说明，但是这些说明只是对本发明说明性的，而不是对发明的限制，任何不超出本发明实质精神内的发明创造，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (6)

1.一种序批式活化净水厂残泥制备重金属吸附剂的方法，其技术原理如下：净水厂残泥经过连续的热和酸处理后，其铁和铝含量升高，进而提高其对重金属的吸附能力。

2.根据权利要求1所述的重金属吸附剂的制备方法，其特征在于对净水厂残泥进行连续的热和酸处理。

3.根据权利要求1所述的重金属吸附剂的制备方法，其特征在于热处理的温度为600℃。

4.根据权利要求1所述的重金属吸附剂的制备方法，其特征在于在酸处理过程中，酸的体积(mL)和净水厂残泥的重量(g)比在1∶1。

5.根据权利要求1所述的重金属吸附剂的制备方法，其特征在于酸处理的过程是在室温条件下搅拌2h。

6.根据权利要求1所述的重金属吸附剂的制备方法，其特征在于在经过热和酸处理后的样品直接风干。