一种基于合成钛酸纳米材料的高效除硬方法
【专利摘要】本发明涉及一种合成钛酸材料在饮用水中高效除硬中的应用。本发明中应用的钛酸纳米材料是以二氧化钛为原料，经水热法合成，其组成包括钛酸纳米管和纳米花。材料应用于饮用水中硬度的去除，其特征为高效的钙镁吸附能力和快速的吸附过程。使用后的钛酸纳米材料经氢氧化钠溶液补充恢复钠位点后可重复使用。本发明采用的除硬方法成本低，使用安全方面，适用于家庭饮用水的软化。
【专利说明】一种基于合成钛酸纳米材料的高效除硬方法
【技术领域】
[0001]本发明属于一种合成钛酸纳米材料的高效除硬度方法，具体而言，是钛酸纳米管与钛酸纳米花在饮用水硬度(钙镁离子)去除领域的应用。
【背景技术】
[0002]水中钙、镁离子的总量称为水的硬度。饮用水中的硬度过高，会危害人体健康，如结石病和胃病等。现《生活饮用水卫生标准规定》(GB5749-2006)中规定饮用水总硬度含量应低于450mg/L(以CaCO3计)。
[0003]目前应用的饮用水除硬方法主要为离子交换法、膜法和化学沉淀法。离子交换法常采用钠型的阳离子交换树脂以置换水中的钙镁离子，此方法应用成本较高，应用周期长，耗盐量大。膜法包括纳滤和反渗透法，常需要配套的预处理设备，运行成本高，操作复杂，能耗大，且膜污染问题显著存在。化学沉淀法指加入石灰或纯碱等使钙镁离子沉淀析出，此法占地面积大，操作复杂，不适应家庭使用，且去除效率较低，出水钙镁离子去除不彻底。因此，迫切需要一种去除速率快、效率高、去除彻底、操作简易、且适用于家庭应用水硬度去除的方法。
[0004]钛酸纳米材料，作为一种比表面积大、等电点低的新型纳米材料，由于其对阳离子优异的吸附性能，使其在饮用水硬度去除领域具有广阔的应用前景。
【发明内容】
[0005]本发明提供了一种合成钛酸纳米材料应用于饮用水中硬度去除，是一种去除效率高、去除速率快、适用于家庭使用的方法。
[0006]为实现上述目的，本发明的技术方案为:
[0007]一种钛酸纳米管的制备方法为:
[0008](A)超声分散:将质量体积比为0.018-0.02(g:mL)的二氧化钛(P25型，80%锐钛矿和20%金红石)与10mol/L的NaOH溶液混合，超声分散24h ；
[0009](B)水热反应:将上述混合液于130°C下加热72h，降温得到沉淀；
[0010](C)漂洗烘干:将沉淀物以去离子水反复清洗至中性，80°C下烘干得到钛酸纳米管。
[0011]一种钛酸纳米花的制备方法为:
[0012](A)超声分散:将质量体积比为0.018-0.02(g:mL)的二氧化钛(锐钛矿型)与8mol/L的NaOH溶液混合，超声分散24h ；
[0013](B)水热反应:将上述混合液于130°C下加热48h，降温得到沉淀；
[0014](C)漂洗烘干:将沉淀物以去离子水反复清洗至中性，80°C下烘干得到钛酸纳米管。
[0015]为实现上述目的，本发明的技术方案为将钛酸纳米材料应用于饮用水中硬度去除，包含以下步骤:
[0016]向含钙镁离子饮用水中投加钛酸纳米材料，调节pH为5~7，常温震荡反应，反应后钛酸纳米材料经酸解吸和NaOH溶液浸泡后再次使用。
[0017]所述的钛酸纳米材料至少为钛酸纳米管和钛酸纳米花的一种，优先选择钛酸纳米花。
[0018]所用的饮用水Ca2+含量为200~500mg/L，优选为180~450mg/L。
[0019]所用钛酸纳米材料投量为I~5g/L，优选为1.5~5g/L。
[0020]反应的pH可视实际饮用水的pH不进行调节。
[0021]所述的反应时间为10~60min。
[0022]解吸所用的酸可为硝酸和盐酸，优先选用硝酸，酸浓度为0.05~0.2mol/L,优选为 0.05 ~0.lmol/L。
[0023]所用的NaOH溶液浓度为0.05~0.2mol/L,优选为0.05~0.lmol/L。
[0024]与现有技术相比，本发明具有以下优点:
[0025](I)合成的钛酸纳米材料比表面积大，阳离子吸附性能优异，可短时间内迅速去除水体中的钙镁离子。
[0026](2)材料沉降性能良好，使用后可在短时间内与水分离。
[0027](3)材料稳定性好，可再生和重复利用。解析过程中，钙镁离子很容易洗脱，再生成本低，仅需少量NaOH，且解吸再生过程中材料本身破坏程度小。
[0028](4)环境友好。钛酸纳米材料不易在水环境中迁移转化，且材料本身为钛酸盐，不引入任何有毒物质。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]图1为本发明中钛酸纳米材料的透射电镜照片，(a)纳米花，(b)纳米管；
[0030]图2为本发明钛酸纳米材料的X射线衍射谱图，(a)纳米花，(b)纳米管；
[0031]图3为本发明钛酸纳米花对Ca2+和Mg2+的吸附动力学曲线；
[0032]图4为本发明钛酸纳米花对Ca2+和Mg2+的去除动力学曲线；
[0033]图5为本发明钛酸纳米管对Ca2+和Mg2+的吸附动力学曲线；
[0034]图6为本发明钛酸纳米管对Ca2+和Mg2+的去除动力学曲线。
[0035]实施方式
[0036]以下实施方式结合较佳的实施例进一步阐述本发明在饮用水硬度去除方面的应用，实施例仅限于说明本发明并不限制本发明的适用范围。
[0037]实施例1本发明合成钛酸纳米花去除饮用水中硬度
[0038]利用合成材料处理总硬度为800mg/L (以碳酸钙计)、pH为7.6的饮用水，包括以下步骤:
[0039](I)将合成材料以5g/L的剂量投入水体中，并充分混合。
[0040](2)混合液经搅拌或震荡反应60min。
[0041](3)合成材料经过滤后投入0.lmol/L的硝酸溶液中，浸泡2h ;去除水洗至中性后投入0.lmol/L的氢氧化钠溶液中,浸泡2h补充钠位点。
[0042](4)补充钠位点后的材料重新按步骤⑴、(2)重复使用。
[0043]经合成材料处理后的饮用水，其硬度降至23.4mg/g。经补充钠位点后的材料处理后的饮用水，其硬度降至29.7mg/g0
[0044]实施例2本发明合成钛酸纳米管去除饮用水中硬度
[0045]利用合成材料处理总硬度为800mg/L(以碳酸钙计)、pH为7.6的饮用水，包括以下步骤:
[0046](I)将合成材料以5g/L的剂量投入水体中，并充分混合。
[0047](2)混合液经搅拌或震荡反应60min。
[0048](3)合成材料经过滤后投入0.lmol/L的硝酸溶液中，浸泡2h ;去除水洗至中性后投入0.lmol/L的氢氧化钠溶液中,浸泡2h补充钠位点。
[0049](4)补充钠位点后的材料重新按步骤⑴、(2)重复使用。
[0050]经合成材料处理后的饮用水，其硬度降至26.5mg/g。经补充钠位点后的材料处理后的饮用水，其硬度降至33.2mg/g0
[0051]实施例3本发明合成钛酸纳米花和钛酸纳米管去除饮用水中硬度
[0052]利用合成材料处理总硬度为800mg/L (以碳酸钙计)、pH为7.6的饮用水，包括以下步骤:
[0053](I)将合成材料以1:1的投量比，5g/L的总剂量投入水体中，并充分混合。
[0054](2)混合液经搅拌或震荡反应60min。
[0055] (3)合成材料经过滤后投入0.lmol/L的硝酸溶液中，浸泡2h ;去除水洗至中性后投入0.lmol/L的氢氧化钠溶液中,浸泡2h补充钠位点；
[0056](4)补充钠位点后的材料重新按步骤⑴、(2)重复使用。
[0057]经合成材料处理后的饮用水，其硬度降至24.2mg/g。经补充钠位点后的材料处理后的饮用水，其硬度降至30.8mg/g0
【权利要求】
1.一种合成钛酸纳米材料，其特征在于: (1)组分为钛酸纳米管与钛酸纳米花； (2)以二氧化钛和NaOH为原料经水热法合成； (3)钛酸纳米管的水热合成条件为130°C水热反应72h； (4)钛酸纳米花的水热合成条件为130°C水热反应48h。
2.如权利要求1所述合成的钛酸纳米材料应用于饮用水硬度去除领域。
3.如权利要求2所述的应用，其特征是吸附反应，吸附条件为: (1)投加钛酸纳米管或钛酸纳米花，或钛酸纳米管和纳米花复合投加(比例为1:1-1:5)，投加量为 0.5 ~5g/L ； (2)钙或镁溶液置于锥形瓶中，初始Ca2+(或Mg2+)浓度为200~500mg/L； (3)调节溶液pH为5~7; (4)反应在摇床中进行，摇床转速为200rpm，温度为20±5°C。
4.如权利要 求2或3所述的应用，其特征在于水中含高浓度的钙、镁离子，硬度>500mg/L，钙镁离子浓度为200~500mg/L。
5.如权利要求2或3所述的应用，可在饮用水水体宽泛的pH范围内实现硬度去除。
6.如权利要求2或3所述的应用，合成的钛酸纳米材料经低浓度NaOH溶液在常温下再生后，钠位点得到恢复，可直接再利用，其中所述NaOH溶液的浓度范围为0.05-0.2mol/L。
【文档编号】C01G23/00GK104176772SQ201410444253
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年9月3日 优先权日:2014年9月3日
【发明者】倪晋仁, 刘 文, 王婷, 孙卫玲, 陈倩 申请人:北京大学