一种氧化铁改性石英砂滤料的制备方法

1.本发明属于环保材料制备及饮用水处理领域，更具体的说，是涉及一种氧化铁改性石英砂滤料的制备方法。


背景技术：

2.随着我国社会经济的快速发展，人类对环境资源的不合理开发与工业化进程的盲目加快，使得我国大部分饮用水源的水质受到了不同程度的污染，许多河、湖、水库、近岸海域、地下水等都受到了不同程度的污，溶解性有机物的微污染程度加重、生活污水与工业废水中难降解的有机物质增加，水源污染日益严重，且呈发展趋势。2012年7月1日，新饮用水质标准(gb5749-2006)在我国正式实施，与旧水质标准(gb5749-85)相比，增加了71项指标。其中毒理学指标占59项，而有70％是以小分子有机物为主的有机化合物指标。上述情况表明，现有的常规水处理工艺已经无法解决水质污染所引发的饮用水安全问题，而新饮用水标准的实施则证明微污染有机物对饮用水安全的严重影响得到了广泛的重视。另一方面，微塑料作为一种新型污染物，广泛分布在自然环境中。自美国研究人员在瓶装水中发现微塑料之后，2018年10月22日欧洲联合肠胃病学周的学会上发布最新研究，首次确认人体内发现了多达9种不同种类的微塑料，由此世界范围内社会各界开始集中关注微塑料问题，2019年世界卫生组织发表了名为《饮用水中的微塑料》的报告。传统的水处理工艺能够处理70％以上的大粒径微塑料，而过滤环节发挥着不可取代的作用。但无论是石英砂滤料，或者无烟煤、陶瓷等其它类型的滤料，其zeta电位都为负值，而微塑料的zeta电位也为负值，由于电性相同，在过滤过程中对于粒径特别小的微塑料很难起到截留的作用。而除微塑料以外，其他常见的污染物如细菌、抗生素、油脂等大部分物质的zeta电位亦为负值。根据dlvo理论，当提高滤料的zeta电位时，更有利于在过滤过程中吸附水中的污染物，从而提高出水水质。


技术实现要素：

3.本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，针对现有过滤技术中传统石英砂滤料表面带负电、表面空隙少、比表面积小、孔隙率小的缺陷，提出一种氧化铁改性石英砂滤料的制备方法，采用此方法制备的石英砂滤料获取途径更加方便，价格更加便宜，更有利于去除水中微塑料，能够提升滤池的处理效率，提高出水水质。
4.本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
5.本发明氧化铁改性石英砂滤料的制备方法，将石英砂原料经过表面预处理清洁之后，将氧化铁附着在表面，实现石英砂滤料的带电功能化，从而制成特定目数的改性石英砂滤料。
6.具体包括以下步骤：
7.步骤一，石英砂表面预处理
8.通过特定目数的筛网筛选出一定量的石英砂原料，使用优级纯的无水乙醇反复清
洗上述原料5-6次；将清洗好的石英砂原料经过ph＝1的盐酸溶液酸泡超24h；酸洗完成之后用去离子水将石英砂上残留的酸液反复冲洗干净，之后放入无水乙醇中保存备用；
9.步骤二，石英砂改性处理
10.称取步骤一预处理后的石英砂，放入烘箱中烘干备用；配置氯化铁溶液备用；使用分析天平称取干燥后的石英砂，使其均匀的平铺在12*6规格的方形陶瓷坩埚中；向其中滴加氯化铁溶液，使其完全浸没，搅拌均匀后置于烘箱中烘干2.5h，然后移置于马弗炉中高温煅烧3.0h后取出；待滤料冷却后，用自来水冲洗，以去除表面粘附不牢的涂层物；用蒸馏水冲洗三遍，烘干待用，得到氧化铁改性石英砂滤料。
11.步骤一中所述石英砂的粒径为20-22目，所述无水乙醇的体积分数为99.8％，所述盐酸的浓度为0.1mol/l。
12.步骤二中氯化铁溶液的浓度为2mol/l，预处理后的石英砂放入50℃烘箱中烘干备用，加入氯化铁溶液搅拌均匀后的石英砂放入100℃-120℃烘箱烘2.5小时，马弗炉温度设置为370℃-550℃。
13.与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
14.本发明实现了表面正电吸附点位附着以及滤料粒径的精确控制。与传统石英砂滤料相比，滤料表面孔隙和沟壑较少，且由于其表面的正电吸附点位，根据dlvo理论，此种滤料在保持原有过滤性能的同时能有效去除水中微塑料及其它负电污染物，兼具经济价值和环保意义。
附图说明
15.图1是本发明实施例1步骤一中石英砂改性后的sem图片。
16.图2是本发明实施例1步骤二中石英砂氧化铁改性后的能谱图片。
具体实施方式
17.下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。提供该实施例是为了更好的理解，绝不是为了限制本发明。
18.本发明氧化铁改性石英砂滤料的制备方法，通过大量的实验探究，将石英砂原料经过表面预处理清洁之后，将氧化铁附着在表面，实现石英砂滤料的带电功能化，从而成功获得特定目数的在表面附着氧化铁吸附位点的改性石英砂滤料。具体包括以下步骤：
19.步骤一，石英砂表面预处理
20.通过特定目数的筛网筛选出一定量的石英砂原料，使用优级纯(gr)的无水乙醇反复清洗上述原料5-6次；将清洗好的石英砂原料经过ph＝1的盐酸(hcl)溶液酸泡超24h；酸洗完成之后用去离子水将石英砂上残留的酸液反复冲洗干净，之后放入无水乙醇中保存备用。该步骤的主要目的是清洗掉石英砂表面的有机杂质。
21.其中，所述石英砂采用从厂家购得的廉价石英砂作为原材料，粒径为20-40目，堆积体积为200ml，根据实验需求使用均质石英砂或非均质石英砂，并采用无水乙醇对酸洗后的石英砂原料进行保存，尽可能隔绝空气中的杂质对石英砂表面电位可能带来的影响。所述无水乙醇的体积分数为99.8％，所述盐酸的浓度为0.1mol/l。
22.步骤二，石英砂改性处理
23.称取适量步骤一预处理后的石英砂，放入50℃烘箱中烘干备用；配置足量氯化铁(fecl3)溶液备用；使用分析天平称取适量干燥后的石英砂，使其能够均匀的平铺在12*6规格的方形陶瓷坩埚中；向其中滴加足量的氯化铁(fecl3)溶液，使其完全浸没，搅拌均匀后置于100℃-120℃烘箱中烘干2.5h，然后迅速的移置于马弗炉中高温370℃-550℃煅烧3.0h后取出；待滤料冷却后，用自来水缓慢冲洗，以去除表面粘附不牢的涂层物；用蒸馏水冲洗三遍，烘干待用，得到氧化铁改性石英砂滤料。
24.其中，氯化铁溶液的浓度为2mol/l，氯化铁(fecl3)溶液在高温下分解为氯化氢气体与氢氧化铁固体沉淀，氢氧化铁会在马弗炉的高温煅烧下进一步分解为氧化铁并附着在石英砂表面，从而实现对石英砂的改性处理。氧化铁在中性水环境中的zeta电位为正值，而石英砂在中性水环境中的zeta电位为负值，当氧化铁附着在石英砂表面之后，在负电位的石英砂表面构建正电位的吸附电位，从而提高对负电污染物的吸附效果。
25.本发明方法制备的氧化铁改性石英砂滤料，可以使用sem及能谱分析测定改性石英砂表面成分，从而验证氧化铁是否附着在石英砂表面。
26.取适量步骤二处理后的氧化铁改性石英砂滤料样品，喷金制样，放入槽中，抽真空，调节电压、对比度与亮度，使用扫描电子显微镜寻找合适区域进行拍照，x射线进行普通能谱扫描，采用x射线能谱分析检测方法分析获取组成样品材料的各种元素的浓度。其中，真空达到5*10-3
pa，进行点扫描时电压要达到20kv。石英砂及改性石英砂不具有导电性，需要通过喷金制样增强样品导电性，从而提高sem的拍摄效果。
27.扫描电子显微镜(scanning electron micrograph，简称sem)，利用二次电子信号成像来观察样品的表明形态，也就是用极狭窄的电子束去扫描样品，通过电子束与样品的相互作用产生各种效应，二次电子能够产生样品表面放大的形貌。这个像是在样品被扫描时按时序建立起来的，即用逐点成像的方法获得放大的图像。电子显微技术最常用的方法就是x射线能谱分析检测(x-ray energy dispersive spectrum，简称eds)。该方法具有成分分析功能。首先通过自动定性分析鉴别样品中所含的元素，再通过半定量分析，利用x射线强度获取组成样品材料的各种元素的浓度。
28.实施例1：
29.步骤一：使用20-22目筛网筛选出堆积体积为200ml的石英砂，使用优级纯(gr)99.8％的无水乙醇反复清洗上述原料5-6次；将清洗好的石英砂原料经过ph＝1的hcl溶液酸泡超24h；水浴酸洗完成之后用去离子水将石英砂上残留的酸液反复冲洗干净，之后放入无水乙醇中保存备用。
30.步骤二：称取500g预处理后的石英砂，放入烘箱(50℃)中烘干备用；配置100ml 2mol/l氯化铁(fecl3)溶液备用；使用分析天平称取50g干燥后的石英砂，能够均匀的平铺在12*6规格的方形陶瓷坩埚中；向其中滴加15ml 2mol/l氯化铁(fecl3)溶液，使其完全浸没，搅拌均匀后置于100℃烘箱中烘干2.5h，然后迅速的移置于马弗炉中370℃高温煅烧3.0h后取出；待滤料冷却后，用自来水缓慢冲洗，以去除表面粘附不牢的涂层物；用蒸馏水冲洗三遍，烘干待用，得到氧化铁改性石英砂滤料。
31.步骤三：取适量步骤二处理后的样品，喷金制样，放入槽中，抽真空达到5*10-3
pa，调节电压达到20kv、对比度与亮度，使用扫描电子显微镜寻找合适区域进行拍照，如图1所示，x射线进行普通能谱扫描，采用x射线能谱分析检测方法分析获取组成样品材料的各种
元素的浓度，如图2所示。
32.实施例2：
33.步骤一：使用30-32目筛网筛选出堆积体积为200ml的石英砂，使用优级纯(gr)99.8％的无水乙醇反复清洗上述原料5-6次；将清洗好的石英砂原料经过ph＝1的hcl溶液酸泡超24h；水浴酸洗完成之后用去离子水将石英砂上残留的酸液反复冲洗干净，之后放入无水乙醇中保存备用。
34.步骤二：称取500g预处理后的石英砂，放入烘箱(50℃)中烘干备用；配置100ml 2mol/l氯化铁(fecl3)溶液备用；使用分析天平称取50g干燥后的石英砂，均匀的平铺在12*6规格的方形陶瓷坩埚中；向其中滴加10ml 2mol/l氯化铁(fecl3)溶液，使其完全浸没，搅拌均匀后置于110℃烘箱中烘干2.5h，然后迅速的移置于马弗炉中450℃高温煅烧3.0h后取出；待滤料冷却后，用自来水缓慢冲洗，以去除表面粘附不牢的涂层物；用蒸馏水冲洗三遍，烘干待用，得到氧化铁改性石英砂滤料。
35.步骤三：取适量步骤二处理后的样品，喷金制样，放入槽中，抽真空达到5*10-3
pa，调节电压达到20kv、对比度与亮度，使用扫描电子显微镜寻找合适区域进行拍照，x射线进行普通能谱扫描，采用x射线能谱分析检测方法分析获取组成样品材料的各种元素的浓度。
36.实施例3：
37.步骤一：使用40-42目筛网筛选出堆积体积为200ml的石英砂，使用优级纯(gr)99.8％的无水乙醇反复清洗上述原料5-6次；将清洗好的石英砂原料经过ph＝1的hcl溶液酸泡超24h；水浴酸洗完成之后用去离子水将石英砂上残留的酸液反复冲洗干净，之后放入无水乙醇中保存备用。
38.步骤二：称取500g预处理后的石英砂，放入烘箱(50℃)中烘干备用；配置100ml 2mol/l氯化铁(fecl3)溶液备用；使用分析天平称取75g干燥后的石英砂，均匀的平铺在12*6规格的方形陶瓷坩埚中；向其中滴加20ml 2mol/l氯化铁(fecl3)溶液，使其完全浸没，搅拌均匀后置于120℃烘箱中烘干2.5h，然后迅速的移置于马弗炉中550℃高温煅烧3.0h后取出；待滤料冷却后，用自来水缓慢冲洗，以去除表面粘附不牢的涂层物；用蒸馏水冲洗三遍，烘干待用，得到氧化铁改性石英砂滤料。
39.步骤三：取适量步骤二处理后的样品，喷金制样，放入槽中，抽真空达到5*10-3
pa，调节电压达到20kv、对比度与亮度，使用扫描电子显微镜寻找合适区域进行拍照，x射线进行普通能谱扫描，采用x射线能谱分析检测方法分析获取组成样品材料的各种元素的浓度。
40.尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。