一种蔗渣炭/镁铁水滑石复合吸附剂的制备方法与流程

本发明涉及一种蔗渣炭/镁铁水滑石复合吸附剂的制备方法，特别利用甘蔗渣为主要材料，制备蔗渣炭/镁铁水滑石复合吸附剂的方法。

背景技术：

随着人类工业活动的频繁，含砷废水的排放量越来越大，砷在水环境中的迁移和转化也在加快，在局部水域造成了砷的积累，而水环境是人类及一切生物赖以生存的必不可少的重要物质。生物体如果通过食物链摄入受污的水体，砷在生物体内不能被降解，就会在体内蓄积，从而危害体内的各个系统器官，从而导致一些疾病的发生，轻些会引起雷诺氏、黑皮病、过度角化等，严重的导致心脑血管疾病和多种内脏癌症，甚至直接导致死亡。当前处理含砷废水的方法总体上分为物理法、化学法和生物法。国内外研究较多的主要有混凝沉淀法、离子交换法、溶剂萃取法、吸附法、膜分离法等。沉淀法在最终产物的处理上有很大的局限性，产生的大量含砷及其他金属废渣无法利用，易造成二次污染；离子交换法处理工艺较复杂，处理成本较高，难工业化；膜分离在运行时需要一定的驱动，耗用大量电能；生物法周期较长。而吸附法周期短，效果显著，吸附材料可以多次循环再生，成本低。所以，近年来很多研究者将吸附法除砷作为一个研究方向。

水滑石（Layered Double Hydroxides，简写为LDH）是一种由带正电荷和层间填充带负电荷的阴离子所构成的层状化合物，又称层状双金属氢氧化物或阴离子粘土，是一类新型无机功能材料，具有层状微孔结构。其化学通式为：[M²⁺_1-xM³⁺_x(OH)₂](A^n-)_x/n·mH₂O，其中M²⁺和M³⁺分别是位于主体层板上的二价和三价金属阳离子，A^n-是可稳定在碱性溶液中存在的层间无机、有机、配合等离子，X为 M³⁺/( M²⁺+ M³⁺)摩尔比，m为结晶水的数目。LDH主体层板和层间阴离子主要通过氢键、范德华力或静电引力等相连接，而使得LDH的层间阴离子具有可交换性。层状双金属氧化物(Layered Double Oxides，简写为LDO)，是LDH的焙烧产物。LDO可以通过获取溶液中的水分子和阴离子来恢复重建LDH的晶体结构，故其饱和吸附容量及吸附产物的稳定性要高于LDH，从而成为一种备受关注的新型环境吸附材料。有大量文献资料显示，LDH及LDO对砷的去除效果显著。但水滑石为细度0.4~0.6 μm粉末状固体，在工程应用中存在一定的困难。甘蔗渣是农业废弃物，将其炭化后转化为蔗渣炭，具有一定的吸附效果。如何把蔗渣炭与水滑石有机结合在一起，使其达到高效吸附含砷废水，具有较为有利的发展前景及实用意义。

技术实现要素：

本发明的目的就是提供一种在常压下采用共沉淀法和煅烧法，以甘蔗渣为主要原料，以氯化镁和氯化亚铁为辅助材料，制备蔗渣炭/镁铁水滑石复合吸附剂。

目前，研究较多的吸附除砷材料中，单一的物质有针铁矿、纳米氧化铁、纳米金属铝粉、活性炭纤维和二氧化钛等；复合的物质有羟基磷灰石/蔗渣活性炭、铁氧化物负载的硅藻土、四氧化三铁改性的燃煤渣、氧化铝负载的多空沸石球、铁锰氧化物改性的沸石等。这些吸附材料中有的吸附材料的主要成分是铁铝氧化物，它们也是吸附砷的主要物质，而部分吸附材料中的主要成分是炭、硅藻土、沸石等一些比表面积较大的物质。为了克服现有的除砷吸附剂吸附容量低，吸附能力有限，以及充分利用广西丰富的甘蔗渣资源。本发明提供一种除砷吸附材料——蔗渣炭/镁铁水滑石复合吸附剂的制备方法。蔗渣炭/镁铁水滑石复合吸附剂不仅吸附容量大，而且当含砷水样初始浓度分别为低于2.0 mg·L^-1。吸附平衡后水样中砷的浓度低于0.01 mg·L^-1。

具体制备步骤为：

（1）将甘蔗渣置于烘箱中在60 ℃~80 ℃下烘干，用万能破碎机破碎后过20~40目筛，在马弗炉中400 ℃~650 ℃炭化2 ~4小时后，获得蔗渣炭，备用。

（2）于1000 mL烧杯中加入200 ml 浓度为0.1 mol/L~1.0 mol/L的氯化镁溶液，再搅拌滴加200 mL 浓度为0.025 mol/L~0.25 mol/L氯化亚铁溶液，再搅拌滴加100 mL浓度为0.005 mol/L十六烷基三甲基溴化铵，混合均匀，加入10 g~25 g步骤（1）所得蔗渣炭，用超声波振荡20 ~40分钟，静置24 ~48 小时。

（3）在搅拌下向步骤（2）产物中滴加入1 mol/L 氢氧化钠和0.5 mol/L 碳酸钠混合溶液调节反应终点的pH到9.0~11。

（4）将步骤（3）所得产物，置于全温生物摇床上200 rpm以振荡30 ~60分钟后，然后置于数显恒温水浴锅中于60 ℃~90 ℃水浴陈化4 ~8 小时。

（5）将步骤（4）所得产物自然冷却，抽滤，用超纯水洗涤固相沉淀物3~5次，当洗涤滤液的pH=7.0±0.1时，将固相沉淀物经超纯水反复洗涤至中性后，滤饼置于瓷盘中在80 ℃~110 ℃下干燥10 小时，得蔗渣炭/镁铁水滑石复合物，即蔗渣炭/镁铁LDH。

（6）将步骤（5）所得蔗渣炭/镁铁水滑石复合物在400 ℃~550 ℃下焙烧2 ~5小时，然后研磨，过100目筛，得蔗渣炭/镁铁水滑石复合吸附剂，即蔗渣炭/镁铁LDO。

本发明工艺简单易行，由于利用甘蔗渣为主要原材料，大大降低生产成本，并提高了产品各项性能指标；所制得的产品可广泛应用于工矿企业深度处理含砷废水工序。

附图说明

图1为本发明实施例制得的蔗渣炭/镁铁LDH、蔗渣炭/镁铁LDO和吸附砷后的蔗渣炭/镁铁LDO的扫描电镜图，a:蔗渣炭/镁铁LDH；b: 蔗渣炭/镁铁LDO；c: 吸附砷后的蔗渣炭/镁铁LDO。

图2 为本发明实施例制得的蔗渣炭/镁铁LDH、蔗渣炭/镁铁LDO和吸附砷后的蔗渣炭/镁铁LDO的X射线衍射图。

图 3 为本发明实施例不同初始pH下蔗渣炭/镁铁LDO对砷的吸附率。

具体实施方式

实施例：

（1）将甘蔗渣置于烘箱中在80 ℃下烘干，用万能破碎机破碎后过20目筛，在马弗炉中于450 ℃下炭化2 小时，获得蔗渣炭，备用。

（2）于2000 mL烧杯中加入200 mL浓度为0.5 mol/L的氯化镁溶液，再搅拌滴加200 mL浓度为0.125 mol/L氯化亚铁溶液，再搅拌滴加100 mL浓度为0.005 mol/L十六烷基三甲基溴化铵，混合均匀，加入15 g步骤（1）所得蔗渣炭，用超声波超声30分钟，静置24 小时。

（3）在搅拌下向步骤（2）产物中滴加入1 mol/L 氢氧化钠和0.5 mol/L 碳酸钠混合溶液调节反应终点的pH到10.5。

（4）将步骤（3）所得产物，置于全温生物摇床上以200 rpm振荡60分钟后，然后置于数显恒温水浴锅中于80 ℃水浴陈化6 小时。

（5）将步骤（4）所得产物自然冷却，抽滤，用超纯水洗涤固相沉淀物3次，当洗涤滤液的pH=7.0±0.1时，结束洗涤，将固相沉淀物滤饼置于瓷盘中在80℃下干燥10小时，得蔗渣炭/镁铁水滑石复合物，即蔗渣炭/镁铁LDH。

（6）将步骤（5）所得蔗渣炭/镁铁水滑石复合物在450 ℃下焙烧2 小时，然后研磨，过100目筛，得蔗渣炭/镁铁水滑石复合吸附剂，即蔗渣炭/镁铁LDO。

所制得的蔗渣炭/镁铁LDH、蔗渣炭/镁铁LDO和吸附砷后的蔗渣炭/镁铁LDO用日本电子的JSM－5610LV型扫描电镜，放大5000倍进行形貌观察，如图1所示。用德国的D8ADVANCE型X射线衍射仪对蔗渣炭/镁铁LDH、蔗渣炭/镁铁LDO和吸附砷后的蔗渣炭/镁铁LDO进行XRD分析，结果如图２所示。

应用实例：pH对吸附的影响实验

称量0.1 g蔗渣炭/镁铁LDO复合吸附剂于一系列100mL塑料离心管中，加入事先用0.1 mol/L的盐酸或氢氧化钠溶液调节pH到设定值（2~11），浓度为20 mg/L的含砷溶液50mL。然后将每个离心管放在25℃的全温生物摇床振荡器中振荡24 小时。最后将离心管在低速离心机上以4000 rpm的速度离心5分钟，再用0.45 μm的滤膜过滤。测定吸附后溶液中砷的浓度，得到不同初始pH下蔗渣炭/镁铁LDO对砷的吸附率，实验结果如图3所示。