一种甘蔗渣负载氢氧化铁吸附剂及其制备方法和应用与流程

本发明属于化学、生物、材料、环境科学等交叉学科领域，具体涉及一种甘蔗渣负载氢氧化铁吸附剂的制备方法及其处理废水中磷酸盐的应用。

背景技术：

磷是动植物生长必不可少的营养元素之一，但过量的磷极易造成水体富营养化。来自工业的、生活的含磷酸盐废水通过多种途径排入江河湖海，而在流动性较差的水域，非常容易产生水华或者赤潮现象，导致大量的水生动植物死亡，造成严重的环境污染。目前处理水体中磷酸盐的方法包括物理法、化学法、离子交换法、膜技术法、生物吸附法等方法。其中生物吸附法因其具备制备简单、成本低、容易推广、吸附效果好、无毒、不会造成二次污染、易被生物降解等优点成为本领域的一项研究热点。

甘蔗渣是制糖行业的主要副产物，仅我国南方年产甘蔗渣700万吨。目前我国甘蔗渣主要用于造纸、焚烧甚至直接丢弃，不仅造成大量的资源浪费，而且会造成环境污染。此外，单独使用氢氧化铁吸附磷酸盐，在制备的过程中容易造成团聚，并且吸附效果不佳和难以回收。因此，进一步探索廉价、吸附磷酸盐效果好的吸附剂及其制备方法具有重要的研究和应用意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种甘蔗渣负载氢氧化铁吸附剂及其处理废水中磷酸盐的应用，本发明通过将甘蔗渣和氢氧化铁进行有效复合，所得吸附材料能够有效吸附废水中较高浓度的磷酸盐，还可解决甘蔗渣带来的环境污染，实现甘蔗渣的资源化利用；且涉及的制备方法简单，原料廉价易得，具有重要的经济效益和环境效益，应用前景广阔。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种甘蔗渣负载氢氧化铁吸附剂的制备方法，它包括如下步骤：

1)甘蔗渣预处理；将收集榨汁后的甘蔗渣，进行水洗，水煮过滤，重复水煮过滤步骤3-4次，以除掉可溶性糖类和其他杂质，再进行水洗，进一步除去糖类等杂质，滤干、烘干、粉碎，收集100-200目甘蔗渣粉末，备用；

2)将甘蔗渣粉末加入铁盐溶液中，搅拌混合均匀，得混合液i；

3)向混合液i中加入碱液，调节所得混合液的ph值至4.5-5.0，进行超声搅拌反应；

4)将步骤3)所得反应液进行离心分离，收集所得沉淀物，进行水洗、干燥、碾磨，即得甘蔗渣负载氢氧化铁吸附剂。

上述方案中，所述甘蔗渣粉末中干物质含量为95-99％，各组分及其所占质量百分比包括：纤维素43-51％，半纤维素24-32％，木质素20-27％，粗蛋白质1.5-2.3％，粗脂肪0.2-0.8％，粗灰分0.9-1.5％。

上述方案中，所述铁盐溶液的ph值为1.4-2.2。

上述方案中，所述铁盐为硝酸铁或氯化铁等。

上述方案中，所述铁源与甘蔗渣粉末的质量比为(1.5-10):1。

上述方案中，所述碱液为浓度为3-5wt％的na2co3或nahco3溶液。

上述方案中，步骤1)中所述烘干步骤为在电热鼓风干燥箱中40-50℃烘干24-48h。

上述方案中，甘蔗渣粉末的粒径为100-200目。

上述方案中，所述铁盐溶液的浓度为7-49.55mmol/l。

上述方案中，所述超声搅拌反应时间为20-30min，超声功率为80-250w。

上述方案中，所述碱液的添加流速为5-8ml/min。

根据上述方案制备的甘蔗渣负载氢氧化铁吸附剂，将其应用于废水中磷酸盐的处理，可实现磷酸盐的高效吸附，且易于回收，适合推广应用。

本发明的机理为：采用负载方法将三价铁离子均匀分散在甘蔗渣表面，由于fe(no3)3、fecl3等在配制过程形成的溶液酸性较强(ph值为1.4-2.2)，不利于负载，本发明采用恒流泵缓慢滴加稀的na2co3，利用硝酸铁,氯化铁自身在水溶液中的酸性与na2co3反应产生二氧化碳气体，同时ph计监控混合溶液的ph值并结合超声搅拌处理，离心后，通过冷冻干燥得到甘蔗渣负载氢氧化铁吸附剂粉末，同步实现氢氧化铁活性组分在甘蔗渣上的有效负载以及甘蔗渣多孔结构的构建。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1)本发明以甘蔗渣和铁盐溶液为主要原料，通过向其中引入na2co3或nahco3溶液并控制所得反应液的ph值，可同步实现氢氧化铁活性组分在甘蔗渣上的有效负载以及甘蔗渣多孔结构的构建，所得吸附剂吸附容量大，适应能力强，可有效规避单独使用甘蔗渣和氢氧化铁时吸附能力不强、不易回收等弊端，具有重要的研究和应用价值。

2)本发明涉及的制备方法简单、操作方便，环境友好，适合推广应用。

3)本发明涉及的原料来源广泛，成本低，廉价易得，可实现甘蔗渣的资源化利用，具有重要的经济效益和环境效益。

附图说明

图1为本发明实施例1所得甘蔗渣负载氢氧化铁吸附剂的sem图。

图2为本发明实施例1所得甘蔗渣负载氢氧化铁吸附剂吸附磷酸盐后的sem图。

图3为本发明实施例1所得甘蔗渣负载氢氧化铁吸附剂的eds图片。

图4为本发明实施例1所得甘蔗渣负载氢氧化铁吸附剂吸附磷酸盐后的eds图片。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

以下实施例中，采用的甘蔗渣中的预处理步骤包括如下步骤：将收集榨汁后的甘蔗渣，进行水洗，水煮过滤，重复水煮过滤步骤3-4次，以除掉可溶性糖类和其他杂质，再进行水洗，进一步除去糖类等杂质，滤干、烘干、粉碎，收集100-200目甘蔗渣粉末，备用；所得甘蔗渣粉末的干物质含量为98.7wt％，各组分及其所占质量百分比包括：纤维素46.1％，半纤维素25.4％，木质素23.5％，粗蛋白质1.2％，粗脂肪0.7％，粗灰分1.3％。

实施例1

一种甘蔗渣负载氢氧化铁吸附剂，其制备方法包括如下步骤：

1)将1.0g甘蔗渣粉末加入到500ml浓度为37.1mmol/l的fe(no3)3溶液(初始ph值为1.51)中，放入超声波机中，并用机械搅拌器搅拌混合溶液30min，得混合液i；

2)在ph计监控下，通过恒流泵向所得混合液i中加入浓度为5wt％的na2co3溶液，控制流速在6.25ml/min，当所得混合液的ph至在5时，停止na2co3溶液的加入，继续在功率为150w的条件下超声和搅拌30min；

3)在4000r/min条件下离心20min，收集沉淀物，并用少量蒸馏水清洗沉淀物数次，冷冻干燥，碾磨，即得甘蔗渣负载氢氧化铁吸附剂。

将本实施例所得产物应用于去除废水中的磷酸盐，具体步骤包括：采用钼酸铵分光光度法测定水溶液中磷酸盐，以50ml浓度为25mg/l的模拟废水(磷酸钠溶液)，加入0.04g甘蔗渣负载氢氧化铁吸附剂，摇床250r/min振摇2h，静置0.5h，取上清液检测磷酸盐的浓度；结果表明磷酸盐除去率达99.1％。

图1、图2分别为本实施例所得甘蔗渣负载氢氧化铁吸附剂在吸附磷酸盐前后的sem图，结果表明：图1表面有大量细小颗粒物存在，表明氢氧化铁很好地负载在甘蔗渣表面，图2依然存在细小颗粒物，虽不能直观看出是否有磷酸根吸附在其表明，但可以通过eds表征辅助证明。

图3、4分别为本实施例所得甘蔗渣负载氢氧化铁吸附剂在吸附磷酸盐前后的eds图，结果表明：吸附前含磷量仅为0.20wt％，而在吸附后，含磷量达到2.83wt％，说明磷酸根能够很好的吸附在甘蔗渣负载氢氧化铁吸附剂上。

实施例2

一种甘蔗渣负载氢氧化铁吸附剂，其制备方法包括如下步骤：

1)将1.0g甘蔗渣粉末加入到500ml浓度为49.5mmol/l的fe(no3)3溶液中(初始ph值为1.42)，放入超声波机中，并用机械搅拌器搅拌混合溶液30min，得混合液i；

2)在ph计监控下，通过恒流泵向所得混合液i中加入浓度为4wt％的na2co3溶液，控制流速在5ml/min，当所得混合液的ph至在4.5时，停止na2co3溶液的加入，继续在功率为120w的条件下超声和搅拌30min；

3)在4000r/min条件下离心20min，收集沉淀物，并用少量蒸馏水清洗沉淀物数次，冷冻干燥，碾磨，即得甘蔗渣负载氢氧化铁吸附剂。

将本实施例所得产物应用于去除废水中的磷酸盐，具体步骤包括：采用钼酸铵分光光度法测定水溶液中磷酸盐，以50ml浓度为25mg/l的模拟废水(磷酸钠溶液)，加入0.04g甘蔗渣负载氢氧化铁吸附剂，摇床250r/min振摇2h，静置0.5h，取上清液检测磷酸盐的浓度；结果表明磷酸盐除去率达99.8％。

实施例3

一种甘蔗渣负载氢氧化铁吸附剂，其制备方法包括如下步骤：

1)将1.0g甘蔗渣粉末加入到500ml浓度为49.5mmol/l的fe(no3)3溶液中(初始ph值为1.42)，放入超声波机中，并用机械搅拌器搅拌混合溶液30min，得混合液i；

2)在ph计监控下，通过恒流泵向所得混合液i中加入浓度为4wt％的nahco3溶液，控制流速在6.25ml/min，当所得混合液的ph至在4.5时，停止na2co3溶液的加入，继续继续在功率为150w的条件下超声和搅拌30min；

3)在4000r/min条件下离心20min，收集沉淀物，并用少量蒸馏水清洗沉淀物数次，冷冻干燥，碾磨，即得甘蔗渣负载氢氧化铁吸附剂。

将本实施例所得产物应用于去除废水中的磷酸盐，具体步骤包括：采用钼酸铵分光光度法测定水溶液中磷酸盐，以ph分别为2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12的50ml浓度为25mg/l的模拟废水(磷酸钠溶液)，加入0.04g甘蔗渣负载氢氧化铁吸附剂，摇床250r/min振摇2h，静置0.5h，取上清液检测磷酸盐的浓度；结果表明磷酸盐除去率分别为99.7％、99.8％、99.6％、99.3％、99.6％、99.6％、99.3％、98.7％、93.4％、50.2％、33.4％。

上述结果表明，本发明所得甘蔗渣负载氢氧化铁吸附剂的吸附容量大，且对废水溶液ph条件的适应性广。

对比例1

一种甘蔗渣负载氢氧化铁吸附剂，其制备方法包括如下步骤：

1)将1.0g甘蔗渣粉末加入到500ml浓度为37.1mmol/l的fe(no3)3溶液中(初始ph值为1.51)，放入超声波机中，并用机械搅拌器搅拌混合溶液30min，得混合液i；

2)在ph计监控下，通过恒流泵向所得混合液i中加入浓度为6.25wt％的nahco3溶液，控制流速在5ml/min，当所得混合液的ph至在2时，停止na2co3溶液的加入，继续在功率为180w的条件下超声和搅拌30min；

3)在4000r/min条件下离心20min，收集沉淀物，并用少量蒸馏水清洗沉淀物数次，冷冻干燥，碾磨，即得甘蔗渣负载氢氧化铁吸附剂。

将本实施例所得产物应用于去除废水中的磷酸盐，具体步骤包括：采用钼酸铵分光光度法测定水溶液中磷酸盐，以50ml浓度为25mg/l的模拟废水(磷酸钠溶液)，加入0.04g甘蔗渣负载氢氧化铁吸附剂，摇床250r/min振摇2h，静置0.5h，取上清液检测磷酸盐的浓度；结果表明该吸附剂对磷酸盐几乎没有吸附效果。

对比例2

一种甘蔗渣负载氢氧化铁吸附剂，其制备方法包括如下步骤：

1)将1.0g甘蔗渣粉末加入到500ml浓度为49.5mmol/l的fe(no3)3溶液中(初始ph值为1.42)，放入超声波机中，并用机械搅拌器搅拌混合溶液30min，得混合液i；

2)在ph计监控下，通过恒流泵向所得混合液i中加入浓度为4wt％的na2co3溶液，控制流速在5ml/min，当所得混合液的ph至在7时，停止na2co3溶液的加入，继续在功率为200w的条件下超声和搅拌30min；

3)在4000r/min条件下离心20min，收集沉淀物，并用少量蒸馏水清洗沉淀物数次，冷冻干燥，碾磨，即得甘蔗渣负载氢氧化铁吸附剂。

将本实施例所得产物应用于去除废水中的磷酸盐，具体步骤包括：采用钼酸铵分光光度法测定水溶液中磷酸盐，以50ml浓度为25mg/l的模拟废水(磷酸钠溶液)，加入0.04g甘蔗渣负载氢氧化铁吸附剂，摇床250r/min振摇2h，静置0.5h，取上清液检测磷酸盐的浓度；结果表明磷酸盐除去率达9.6％。

本发明所列举的各原料都能实现本发明，以及各原料的上下限取值、区间值都能实现本发明；在此不一一列举实施例。本发明的工艺参数的上下限取值、区间值都能实现本发明，在此不一一列举实施例。