CN109248648B - 一种用于吸附处理废水中重金属离子的改性铝土矿 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于吸附处理废水中重金属离子的改性铝土矿及其应用，其是先将天然铝土矿与硝酸溶液进行水热反应，再将所得产物进行焙烧，制得酸改性铝土矿。所得改性铝土矿具有较高的孔容和比表面积，对Pb2+、Cu2+和Cd2+等重金属离子表现出了较好的吸附性能，因而可作为吸附剂用于吸附处理废水中重金属离子。本发明改性铝土矿的制备过程简单，条件温和，原料价格低廉，并具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于水处理技术领域，具体涉及一种用于吸附处理废水中重金属离子的改性铝土矿。
背景技术
随着现代工农业生产技术的飞速发展，由重金属离子引起的环境污染问题已日益威胁到人类的健康。因此，去除废水中的重金属离子，如铜、锌、镉、镍、铅、铬、汞等，以保护和改善人类赖以生存的环境已迫在眉睫。目前处理废水中重金属离子有如下方法：1）化学处理法，加入药剂使其与重金属离子发生化学反应而从废水中除去重金属离子；2）物理处理法，即在不改变废水中重金属离子化学状态的前提下，通过吸附、浓缩、分离的方法处理废水中的重金属离子，该方法又可细分为吸附法、膜分离法、离子交换法；3）生物处理法，利用生物（如细菌、真菌、藻类及某些生物提取物）的新陈代谢作用吸附废水中的重金属离子，以达到去除废水中重金属离子的作用；4）近年来新出现的新型废水处理技术：包括新型介孔材料、光催化法、纳米技术以及基因工程技术法等。
在各种废水处理技术中，吸附法因其操作简单与实用受到人们广泛的关注。目前，常用的重金属离子吸附剂主要有活性炭、粘土类矿物、沸石等。但是，上述催化剂仍存在不足之处，例如活性炭因其具有较强的吸附性能被广泛用于废水处理，但该材料在使用过程中需要添加一些复杂的试剂以提高其对污染物质的吸附效果，因而存在制备过程繁琐、成本较高和很难大规模应用等问题。发展新型、高效及成本低廉的废水处理材料已成为环境污染治理工作中急需解决的问题。
天然铝土矿因其资源丰富、结构稳定、价格低廉且本身可以作为贵金属吸附剂等优点，在废水处理领域展现出巨大的优势和良好的应用前景。根据文献报道显示，改性后的铝土矿对含高浓度Cl-、NO3-的有机废水具有一定的吸附作用。然而，目前几乎没有将铝土矿应用于重金属废水处理的报道。因此通过合适的方法制备具有更大比表面积、更高吸附容量的改性铝土矿，将对污水处理及环境、生态修复具有重大意义，并可充分利用我国丰富的铝土矿资源。
发明内容
本发明的目的在于针对现有材料的不足，开发一种可用于吸附处理废水中重金属离子的改性铝土矿。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于吸附处理废水中重金属离子的改性铝土矿，其制备方法包括如下步骤：
（1）用纯水洗去天然铝土矿表面的粉尘并烘干；
（2）将烘干后的天然铝土矿置于聚四氟乙烯高压反应釜内衬中，再按1.0~1.5 mL/g加入2 mol/L的HNO3溶液，超声振荡混合后将反应釜密封，放入烘箱，于100-200℃水热反应36 h；
（3）反应结束后冷却至室温，离心，并在110 ℃干燥4 h；
（4）将干燥后的产物于200~400 ℃焙烧处理6 h，即得酸改性铝土矿。
本发明先将天然铝土矿与硝酸溶液进行水热反应，再置于马弗炉中焙烧，制得酸改性的铝土矿。经检测，改性后的铝土矿具有较大的比表面积和孔容，因而具有较高的吸附性能，可用于吸附处理废水中的重金属离子。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
（1）与天然铝土矿相比，本发明经酸改性后得到的铝土矿的比表面积和孔容得到改善，因而对废水中的重金属离子具有较强吸附能力，尤其是对Pb2+离子表现出了优异的吸附性能；
（2）本发明改性铝土矿的制备过程简单，条件温和，成本低廉；
（3）本发明首次将改性后的铝土矿应用于重金属废水治理，不仅拓展了天然铝土矿的应用领域。同时，也为开发新型的重金属废水吸附剂提供实验基础。
具体实施方式
为了使本发明所述的内容更加便于理解，下面结合具体实施方式对本发明所述的技术方案做进一步的说明，但是本发明不仅限于此。
所用天然铝土矿为福建省漳浦县的天然铝土矿。
实施例1
用纯水洗去天然铝土矿表面的粉尘后烘干，称取30g置于100mL带聚四氟乙烯内衬的高压反应釜内，再加入45 mL 2mol/L的HNO3溶液，超声振荡20min后，于120℃水热反应36h，然后冷却、离心、110℃干燥4h，再置于马弗炉中，于200℃下焙烧6h，即得到酸改性铝土，记为MB-1。
实施例2
用纯水洗去天然铝土矿表面的粉尘后烘干，称取30g置于100mL带聚四氟乙烯内衬的高压反应釜内，再加入30 mL 2mol/L的HNO3溶液，超声振荡20min后，于120℃水热反应36h，然后冷却、离心、110℃干燥4h，再置于马弗炉中，于250℃下焙烧6h，即得到酸改性铝土，记为MB-2。
实施例3
用纯水洗去天然铝土矿表面的粉尘后烘干，称取30g置于100mL带聚四氟乙烯内衬的高压反应釜内，再加入36 mL 2mol/L的HNO3溶液，超声振荡20min后，于120℃水热反应36h，然后冷却、离心、110℃干燥4h，再置于马弗炉中，于300℃下焙烧6h，即得到酸改性铝土，记为MB-3。
实施例4
用纯水洗去天然铝土矿表面的粉尘后烘干，称取30g置于100mL带聚四氟乙烯内衬的高压反应釜内，再加入45 mL 2mol/L的HNO3溶液，超声振荡20min后，于120℃水热反应36h，然后冷却、离心、110℃干燥4h，再置于马弗炉中，于350℃下焙烧6h，即得到酸改性铝土，记为MB-4。
实施例5
用纯水洗去天然铝土矿表面的粉尘后烘干，称取30g置于100mL带聚四氟乙烯内衬的高压反应釜内，再加入39 mL 2mol/L的HNO3溶液，超声振荡20min后，于120℃水热反应36h，然后冷却、离心、110℃干燥4h，再置于马弗炉中，于400℃下灼烧6h，即得到酸改性铝土，记为MB-5。
表1 不同温度下焙烧得到的改性铝土矿与天然铝土矿的表面织构数据对比
多组分重金属离子竞争吸附实验：
配制Pb2+、Cu2+、Cd2+离子浓度均为150 mg/L的混合溶液：Pb2+、Cu2+二元混合溶液、Pb2+、Cd2+二元混合溶液、Pb2+、Cu2+、Cd2+三元混合溶液。用0.1M的NaOH溶液调节混合溶液的pH值为5。各取100mL溶液置于250 mL碘量瓶中，投加经350℃灼烧制得的改性铝土矿MB-4 3g。设置振荡吸附温度为40℃，振荡吸附转速为120rpm，吸附时间为120min。振荡吸附后过滤，取滤液用电感耦合等离子体原子发射光谱仪（ICP-AES）测定混合溶液吸附前后离子浓度，并计算吸附量与分配系数、选择性因子（计算公式如下），以考查改性铝土矿在二元、三元混合体系中的选择吸附性能，结果见表2。
D=Qe/Ce，Qe=(Co-Ce)V/m，α=Do/Dm；
式中：D-分配系数（L/g），Qe-吸附量（mg/g），Co-金属溶液吸附前浓度（mg/L），Ce-金属溶液吸附后浓度（mg/L），V-混合溶液体积(L)，m-吸附剂用量(g)，α-吸附剂的吸附选择因子，Do-Pb2+的分配系数，Dm-Cu2+、Cd2+的分配系数。
表2 改性铝土矿MB-4在混合体系中对于重金属离子吸附去除效果
通过多组分重金属离子竞争吸附实验发现，无论在二元体系（Pb2+-Cu2+）、（Pb2+-Cd2+)或者三元体系（Pb2+-Cu2+-Cd2+)中，改性铝土矿均对Pb2+都有较好的选择性。同时也证明，即使在Cu2+、Cd2+存在下，改性铝土矿对Pb2+也能完成定量的吸附。吸附性能为Pb2+＞Cu2+＞Cd2+。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (4)
1.一种改性铝土矿在吸附废水中重金属离子中的应用，其特征在于，所述改性铝土矿的制备方法包括如下步骤：
（1）用纯水洗去天然铝土矿表面的粉尘并烘干；
（2）将烘干后的天然铝土矿置于聚四氟乙烯高压反应釜内衬中，再加入HNO3溶液，超声振荡混合后将反应釜密封，放入烘箱进行水热反应；
（3）反应结束后冷却至室温，离心，并在110 ℃干燥4 h；
（4）将干燥后的产物进行焙烧处理，即得酸改性铝土矿。
2. 根据权利要求1所述的改性铝土矿在吸附废水中重金属离子中的应用，其特征在于，步骤（2）中所用HNO3溶液的浓度为2 mol/L，其加入量按每克天然铝土矿加入1.0~1.5mL HNO3溶液。
3. 根据权利要求1所述的改性铝土矿在吸附废水中重金属离子中的应用，其特征在于，步骤（2）所述水热反应的温度为100-200℃，时间为36 h。
4. 根据权利要求1所述的改性铝土矿在吸附废水中重金属离子中的应用，其特征在于，步骤（4）中焙烧温度为200~400 ℃，焙烧时间为6 h。
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