专利名称：含镧介孔分子筛除砷吸附剂及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种除砷吸附剂及其制备方法，具体是指能有效去除水中砷的含镧介孔分子筛吸附材料。
背景技术：
砷和砷的可溶性化合物有毒。如砒霜、白砒就是三氧化二砷。自然界中主要以化合物形态存在，间或成单质存在，有砷黄铁矿(FeAsS)、雄黄(As2S2)、雌黄(As2S)。不少有色金属矿中含有砷化物，所以在有色金属冶炼过程中，如矿石培烧，均有砷化物(如白砒)排出。
砷化物多用于制造硬质合金、砷酸盐药物、杀虫剂、杀鼠剂(一般为砷酸、亚砷酸盐)、玻璃工业脱色剂、毛皮工业的脱毛剂和防腐剂。所以冶金、硫酸、化肥、皮革、农药等工业均有砷污染。砷可以通过呼吸、皮肤接触、饮食等途径进入人体。砷能与蛋白质和酶中的巯基结合，抑制体内很多生化过程，特别是与丙酮酸氧化酶的巯基结合，使其失去活性，引起细胞代谢的严重紊乱。砷对人的中毒剂量为0.02～0.052克，致死量为0.06～0.2克。近年来还发现，与含砷物质经常接触的工人中，皮肤癌和肺癌的发病率高于其他行业。
1993年世界卫生组织从人体健康考虑颁布了水中砷的含量范围为7～10ppb。建设部1986年颁布实施的《生活饮用水卫生标准》规定，砷的含量不得超过50ppb。根据我国在2005年6月水质安全饮用水标准中规定从2006年7月起水中砷的含量也由50ppb降到10ppb。
因此，对高砷饮用水进行处理以降低其含量的问题具有重要实际意义。传统的去除水中的砷都采用活性碳吸附，对高砷废水效果显著，但如果仅用活性碳把水中砷含量降到10ppb是不太现实的。目前饮用水中除砷的方法主要有石灰软化法，木炭过滤，硫化铁滤床，硫酸铁凝结，氯化铁凝结，氢氧化铁沉淀法。其中，用共沉淀法合成无定型粉末状铁的化合物吸附除砷的研究做的比较多，但实验证明其吸附砷后从溶液中过滤是很困难的。于是，有人研究制备成颗粒状氧化铁或在沙子的表面上进行氧化铁涂层，用于除砷，其效果比较理想。但是，这种吸附材料的比表面积小，限制了其广泛的应用。总之，能满足除砷的能用于吸附床的吸附剂的材料应同时满足颗粒形状、去除As(III)或As(V)均有效、高容量、高选择和高吸附率、高机械强度(在水中不易分解)、可再生利用、低成本、无环境污染。中国发明专利申请“去除水中砷的的复合吸附材料及其制备方法”申请号为200510027898.2提供的吸附材料的除砷效果比较明显，但是，随着吸附时间的延长，表面的氧化铁有衰减的现象，限制了这种材料的长时间运行。还有中国专利申请“载铁活性碳除砷吸附剂的制备方法”申请号为200510110226.8提供的吸附材料虽有所改善，但仍有类似的缺点。Fryxell等人合成了固定有铜螯合物和乙二胺的介孔氧化硅，其对砷的最高吸附容量大约为140mg(As)/g。Yoshitake等人合成了氨基硅烷功能化的MCM-41、SBA-1和MCM-48，其中每一个都络合过Fe3+，Co2+，Ni2+，Cu2+或H+。在砷的初始浓度低于100mg/l时，络合Fe3+的氨基硅烷功能化的MCM-41对砷有最高的吸附容量2.5mmolAs/g。但是这两个例子都用了昂贵和有毒的化学物质。
发明内容
本发明的目的是公开一种含镧介孔分子筛除砷吸附剂，以克服现有技术存在的上述缺陷；本发明再一个目的是公开所述除砷吸附剂的制备方法，以便于工业化生产。
本发明提出的含镧介孔分子筛除砷吸附剂，其特征在于，由具有两套互不相连的三维孔道结构的介孔氧化硅MCM-48和负载在其上的镧所组成，镧的重量含量为1.17～9.80％。
该除砷吸附剂具有三维孔道结构，氮吸附测定BET表面积为202-732m2/g，平均孔径为2.7-3.2nm，孔体积为0.2-0.7ml/g；术语“两套互不相连的三维孔道结构的介孔氧化硅MCM-48”具体见文献C.T.Kresge，M.E.Leonowicz，W.J.Roth，J.C.Vartuli，J.S.Beck，Nature359(1992)710。
本发明的含镧介孔分子筛除砷吸附剂的制备方法，包括如下步骤(1)将硅源、碱源、镧源、模板剂和水的混合物，在25～40℃，优选30～37℃下，反应40～60分钟，得反应混合液；(2)然后将步骤(1)所得的反应混合液，在100～150℃水热晶化反应10～24小时，再将水热晶化反应的产物洗涤至中性、干燥，在450～550℃焙烧2～6小时，得目标物；所说的硅源为硅胶、硅溶胶或四烷基硅酸脂，优选的硅源为四烷基酸脂，最优选的为四C1～C4烷基硅酸脂，最佳为四乙基硅酸脂[Si(OC2H5)4]；所说的碱源为碱金属的氢氧化物，优选的碱源为氢氧化钾或氢氧化钠；
所说的镧源为硝酸镧或氯化镧；所说的模板剂为十六烷基三甲基溴化氨；硅源∶碱源∶模板剂∶水∶镧源＝1.0∶0.45～0.50∶0.62～0.65∶60～62∶x，摩尔比；x＝0.004～0.05；优选0.005～0.04本发明具有的优点和效果1.由于本发明的含镧介孔分子筛比表面积大、孔径分布窄、稳定性高、性能良好，具有高容量、高选择和高吸附率、高机械强度、可再生利用的优点。
2.由于本发明的含镧介孔分子筛是由水热法一次制备而成，而且晶化温度低于150℃，因此本发明具有工艺简单，操作方便的优点；3.镧是一种最便宜的稀土元素，它无毒，而且与环境友好，因此本发明的含镧介孔分子筛无环境污染，制备成本低廉的优点；4.提高了吸附除砷效率同时扩大了使用范围。本发明的吸附材料可以作为吸附床的吸附剂去除砷以外的其他重金属。
图1为砷的吸附浓度随La-MCM-48中镧含量(La/Si)的变化关系。
图2为本发明的含镧介孔分子筛除砷吸附剂的除砷实验等温曲线。
具体实施例方式
实施例1～4将10毫升正硅酸四乙脂与50毫升去离子水混合，混合物在在35℃条件下搅拌40分钟，然后将0.9克的氢氧化钠加入到混合物中，随后加入镧源和硅源，继续搅拌40分钟后，将10.6克的十六烷基三甲基溴化氨加入混合物中，继续搅拌60分钟后转入聚四氟乙烯高压釜中在120℃水热晶化反应24小时后将晶化所得的产物洗涤至中性、烘干，将烘干后的产物在550℃焙烧4小时即可制备得到立方介孔La-MCM-48。
采用下述方法对本发明的吸附剂的物化数据进行测定称量1g用本发明制备的除砷吸附剂，共24份，分别加入24瓶不同初试含砷浓度的溶液中在室温下搅拌，摇荡，48小时后视为吸附平衡。用孔径为0.45μm滤膜过滤，取其上清液。用型号为508-0182的原子吸收荧光光度计(产地日本)测定吸附后除砷的效果。采用原子吸收荧光法来测定处理后的水中的砷的浓度的工作条件为实验室温度(18℃)，负高压PMT(270V)，A道灯电流(40mA)，B道灯电流(0mA)，观察高度(8mm)，读数方式(Peak Area)，延迟时间(2s)，实验温度(30℃)，加热温度(200℃)，载气流量(400ml/min)，屏蔽气流量(800ml/min)，测量方法(Std Curve)，读数时间(7s)，测量重复次数(3次)。
从图1可以看出，砷的初始浓度为4mmol/L时，砷的吸附浓度随La/Si的摩尔比的增大先快速上升后缓慢增大。
图2是La/Si为0.04的La-MCM-48除砷实验等温曲线，砷的吸附量随初始浓度的增加而增加，本发明的含镧介孔分子筛除砷吸附剂的吸附效果非常好。该材料是一个比较理想的吸附除砷吸附剂。
实施例5将10毫升正硅酸四乙脂与50毫升去离子水混合，混合物在在35℃条件下搅拌40分钟，然后将1.3克的氢氧化钾加入到混合物中，随后加入镧源和硅源，继续搅拌45分钟后，将10.4克的十六烷基三甲基溴化氨加入混合物中，继续搅拌60分钟后转入聚四氟乙烯高压釜中在150℃水热晶化反应10小时后将晶化所得的产物洗涤至中性、烘干，将烘干后的产物在450℃焙烧6小时即可制备得到立方中孔La-MCM-48。
采用实施例1相同的方法进行测定，其结果基本相同。
权利要求
1.含镧介孔分子筛除砷吸附剂，其特征在于，由具有两套互不相连的三维孔道结构的介孔氧化硅MCM-48和负载在其上的镧所组成，镧的重量含量为1.17～9.80％。
2.根据权利要求1所述的含镧介孔分子筛除砷吸附剂，其特征在于，该除砷吸附剂表面积为202-732m2/g，平均孔径为2.7-3.2nm，孔体积为0.2-0.7ml/g。
3.制备权利要求1或2所述的含镧介孔分子筛除砷吸附剂的方法，包括如下步骤(1)将硅源、碱源、镧源、模板剂和水的混合物，在25～40℃，反应40～60分钟，得反应混合液；(2)然后将步骤(1)所得的反应混合液，在100～150℃水热晶化反应10～24小时，再将水热晶化反应的产物洗涤至中性、干燥，在450～550℃焙烧2～6小时，得目标物。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所说的硅源为硅胶、硅溶胶或四烷基硅酸脂；所说的碱源为碱金属的氢氧化物；所说的镧源为硝酸镧或氯化镧；所说的模板剂为十六烷基三甲基溴化氨。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所说的硅源为四烷基酸脂，碱源为氢氧化钾或氢氧化钠。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所说的硅源为四C1～C4烷基硅酸脂。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所说的硅源为四乙基硅酸脂。
8.根据权利要求3～6任一项所述的方法，其特征在于，硅源∶碱源∶模板剂∶水∶镧源＝1.0∶0.45～0.50∶0.62～0.65∶60～62∶x，摩尔比；x＝0.004～0.05。
全文摘要
本发明公开了一种含镧介孔分子筛除砷吸附剂及其制备方法，所述吸附剂，由具有两套互不相连的三维孔道结构的介孔氧化硅MCM－48和负载在其上的镧所组成，镧的重量含量为1.17～9.80％，表面积为202－732m
文档编号C02F101/10GK101073762SQ200710042509
公开日2007年11月21日 申请日期2007年6月22日 优先权日2007年6月22日
发明者蓝闽波, 江锦春, 邬贤波, 袁慧慧, 赵红莉 申请人:华东理工大学