专利名称：硫酸盐包覆的水滑石及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种硫酸盐包覆的水滑石及其制备方法。
背景技术：
通常，用于去除水中的磷(P)的方法包括生物去除法、凝聚-沉淀法、结晶法、吸附法等。在这些方法中，生物去除法和凝聚-沉淀法已经被广泛地使用。然而，这样的生物去除法的问题在于，在去除处理之后，它们会提供每升水若干毫克(若干mg P/L)的略高的磷浓度，并会显示出低的处理效率。同时，用于磷的物理化学处理的方法包括使用凝聚剂的凝聚-沉淀法。因为这样的方法的简便性和高效率，所以最常用的就是这样的方法。凝聚-沉淀法可以去除磷以使其达到低浓度，但是需要大量的化学品，以获得稳定的处理效率，这导致操作成本的升高。·另外，对得到的污泥的处理需要高成本，并且还没有合适的、对生态环境友好的方案来替代对得到的污泥的处理。还有，上述生物去除法和凝聚-沉淀系统需要大的安装空间，并产生大量的淤泥。另外，难以回收和重新使用通过这样的方法去除的磷。同时，结晶法以羟基磷酸钙去除水中的磷，因此，由此去除的磷可以用作肥料。然而，这样的结晶法需要复杂的预处理工艺，因此这样的方法在商业化方面具有困难。吸附法通过使用吸附剂去除水中的磷。通常，已经广泛地使用介观结构的锆(zirconium mesostructure)作为吸附剂。例如，已使用粉状介观结构的错和藻酸钠获得颗粒状介观结构的锆，并已使用颗粒状介观结构的锆用来吸附和去除水中的磷。然而，锆本身是非常昂贵的，因此限制了粉状介观结构的锆和颗粒状介观结构的锆的商业化。
发明内容
本发明涉及一种其表面上包覆有硫酸盐的水滑石及其制备方法，以实现提高了的磷吸附效率。在本发明的实施例中，硫酸盐包覆的水滑石通过下述步骤来获得例如在2700C _300°C的温度下对在例如O. 1M-0. 3M的硫酸水溶液中浸过的水滑石进行热处理，从而在水滑石的表面上形成硫酸盐。在本发明的实施例中，一种制备硫酸盐包覆的水滑石的方法包括分别提供水滑石和硫酸水溶液；将水滑石浸入硫酸水溶液中；以及从硫酸水溶液中取出水滑石，并例如在270°C _300°C的温度下对水滑石进行热处理，从而在水滑石的表面上形成硫酸盐。在示例性实施例中，硫酸水溶液可具有例如O. 1M-0. 3M的浓度。根据这里公开的硫酸盐包覆的水滑石及其制备方法，水滑石表面包覆有硫酸盐。因此，能够提高通过硫酸根离子与磷酸根离子之间的离子交换去除水中的磷的效率。
通过下面结合附图进行的详细描述，公开的示例性实施例的以上和其他方面、特征和优点将更明显，在附图中图I是示出根据本发明示例性实施例的硫酸盐包覆的水滑石的制备方法的流程图；图2是示出具有2. 5mm的直径的粒状水滑石的照片；图3是示出通过使用O. 3M的硫酸水溶液获得的硫酸盐包覆的水滑石的磷吸附平衡(Langmuir吸附等温式)的曲线图；图4是示出不具有硫酸盐包覆层的水滑石的磷吸附平衡(Langmuir吸附等温式)的曲线图；以及图5a和图5b是不出具有硫酸盐包覆层的水滑石和不具有硫酸盐包覆层的水滑石
的电子探针X射线微区分析(EPMA)的结果的图。
具体实施例方式在下文中，现在将参照附图更充分地描述示例性实施例，在附图中示出了示例性实施例。然而，本公开可以以许多不同的形式实施，且不应该被解释为局限于这里阐述的示例性实施例。而是，提供这些示例性实施例，使得本公开将是彻底的和完整的，并且这些示例性实施例将把本公开的范围充分地传达给本领域技术人员。在该描述中，可以省略公知特征和技术的细节，以避免不必要地使给出的实施例模糊不清。这里使用的术语仅为了描述具体实施例的目的，而不意图限制本公开。如这里使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式“一种”、“一个”、“该”和“所述”也意图包括复数形式。此外，术语“一种”、“一个”等的使用不是指对量的限制，而是指存在至少一个所指的项目。术语“第一”、“第二”等的使用不是意味着任何具体的顺序，而是包括这些术语以用来辨识各个元件。此外，术语第一、第二等的使用不是指任何顺序或重要性，而是使用术语第一、第二等来将一个元件与另一元件区别开来。还将理解的是，当在本说明书中使用术语“包括”和/或“包含”时，说明存在所述的特征、区域、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、区域、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。除非另有定义，否则这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本领域普通技术人员所通常理解的意思相同的意思。还将理解的是，除非这里明确地如此定义，否则术语(诸如在通用词典中定义的术语)应被解释为具有与相关领域和本公开的语境中它们的意思一致的意思，而将不以理想的或过于形式化的含义来解释这些术语。在附图中，同样的标记表示同样的元件。为了清楚起见，可以夸大附图的形状、尺寸和区域等。根据本发明的实施例，水滑石表面包覆有硫酸盐，以提高水滑石的磷吸附效率。表面包覆在水滑石上的硫酸盐包括SO42-离子，SO42-离子与水中的磷酸根离子(PO/-)和磷酸氢根(HP042_)离子进行离子交换，使得水中的磷吸附到水滑石表面上。硫酸盐的S042_离子具有与磷酸根离子(PO/-)和磷酸氢根(HPO42-)的离子尺寸和结合力相似的离子尺寸和结合力，因此有利于离子交换。在下文中，将参照附图详细说明根据本发明示例性实施例的硫酸盐包覆的水滑石及其制备方法。图I是示出根据本发明实施例的硫酸盐包覆的水滑石的制备方法的流程图。参照图1，首先，分别提供水滑石和硫酸水溶液(SlOl)。硫酸水溶液可具有大约例如O. IM-ο. 3M的浓度。当硫酸水溶液具有低于O. IM的浓度时，将不能在水滑石的表面上形成均匀的硫酸盐包覆层。另一方面，当硫酸水溶液具有高于O. 3M的浓度时，将不能实现稳定的憐去除特性。同时，可以以粒的形式提供水滑石。这是因为这样的形式有利于去除磷之后回收磷。另外，可以通过将水滑石引入期望的反应器中，在转动反应器的同时与丙烯酰胺类粘结剂一起搅拌水滑石，并焙烧水滑石来获得粒状的水滑石。图2是示出具有2. 5mm的直径的粒状水滑石的照片。接着，将水滑石浸入硫酸水溶液中达特定的时间，使得硫酸水溶液可以充分地注入水滑石的孔(S102)。然后，从硫酸水溶液中取出水滑石，并例如在270°C _300°C的温度下对水滑石进行热处理。·可以使用电炉等实施热处理。因为热处理，所以形成硫酸盐并且水滑石的表面包覆有硫酸盐(S103)。硫酸(H2SO4)具有270°C的沸点，因此在270°C以上的温度下离解成质子(H+)和硫酸根离子(S042_)。因此，在270°C以上的温度下离解出的硫酸根离子(S042_)与水滑石的一些成分反应，从而形成硫酸盐。当在高于300°C的温度下实施热处理时，硫酸根离子可能不会与水滑石反应，而是从水滑石解吸。因此，热处理温度可控制在270°C -300°C的温度。最后，可以将硫酸盐包覆的水滑石粉碎成特定的尺寸，从而获得根据本发明示例性实施例的硫酸盐包覆的水滑石。在下文中，评价根据示例的硫酸盐包覆的水滑石的磷去除特性。图3是示出通过使用O. 3M的硫酸水溶液获得的硫酸盐包覆的水滑石的磷吸附平衡(Langmuir吸附等温式)的曲线图。在下面的条件下实施图3的实验。在将水滑石浸入O. 3M的硫酸水溶液中达3小时之后，在300°C对水滑石进行热处理，从而提供硫酸盐包覆的水滑石。使用初始磷浓度为15mg/L、50mg/L、100mg/L、200mg/L和400mg/L的磷污染的废水对制备的硫酸盐包覆的水滑石进行吸附平衡测试。初始磷浓度15mg/L、50mg/L、100mg/L、200mg/L 和 400mg/L 分别对应于 2. 4mg/L、8. 6mg/L、24. 3mg/L、48. 2mg/L 和 70. 6mg/L 的平衡磷浓度，供参考。图4是示出不具有硫酸盐包覆层的水滑石的磷吸附平衡(Langmuir吸附等温式)的曲线图。按照与图3的实验相同的方式，使用初始磷浓度为15mg/L、50mg/L、100mg/L、200mg/L和400mg/L的磷污染的废水实施图4的吸附平衡测试。图4中的情形-I和情形-2显示出相同的实验(相同的情形)进行了两次，即情形-I和情形_2，从而看到相同的实验显示出相同的结果。如图4中所示，情形-I和情形-2显示出非常相似的结果。初始磷浓度 15mg/L、50mg/L、100mg/L、200mg/L 和 400mg/L 分别对应于 13. 6mg/L、43. 2mg/L、86. 4mg/L、181. 8mg/L和369. lmg/L的平衡磷浓度，供参考。从图3与图4的比较可以看出，根据不例的硫酸盐包覆的水滑石显不出30. 75mg/g的最大吸附效率，而不具有硫酸盐包覆层的水滑石显不出4. 7mg/g的最大吸附效率。(可以通过将拟合线延长到最大来获得理论吸附效率，供参考。图3和图4中拟合线延长到最大时的拟合线图的y轴值是理论吸附效率。)因此，从以上结果可以看出，硫酸盐包覆的水滑石的磷去除效率是不具有硫酸盐包覆层的水滑石的磷去除效率的大约4. 6倍高。
此外，通过电子探针X射线微区分析(EPMA)来测试具有硫酸盐包覆层的水滑石和不具有硫酸盐包覆层的水滑石。图5a是示出不具有硫酸盐包覆层的水滑石的EPMA结果的图。图5b是示出通过将水滑石浸入硫酸水溶液中达3小时然后进行热处理而获得的硫酸盐包覆的水滑石的EPMA结果的图。在EPMA结果中，彩色的EPMA(图5b)显示出硫酸盐的形成，而非彩色的EPMA(图5a)没有显示出硫酸盐的形成。在图5b中，蓝色、黄绿色、红色均显示出硫酸盐的形成。形成的硫酸盐的浓度在红色区中最高，在黄绿色区中仅次于最高， 在蓝色区中相比较而言是最低的。从图5a和图5b可以看出，通过硫酸水溶液，硫酸盐形成在水滑石的表面上。
虽然已经示出并描述了示例性实施例，但是本领域技术人员将理解，在不脱离由权利要求限定的本公开的精神和范围的情况下，可对示例性实施例做出形式上和细节上的各种改变。
另外，为了使具体的情况或材料适应本公开的教导，在不脱离本公开的教导的实质性范围的情况下，可以做出许 多修改。因此，本公开不意图局限于具体示例性实施例(这些具体示例性实施例作为实施本公开而构思的最佳模式而公开)，而意图的是，本公开将包括落入权利要求的范围内的所有实施例。
权利要求
1.一种制备硫酸盐包覆的水滑石的方法，所述方法包括下述步骤 分别提供水滑石和硫酸水溶液； 将水滑石浸入硫酸水溶液中；以及 从硫酸水溶液中取出水滑石，并在270°c -300°c的温度下对水滑石进行热处理，从而在水滑石的表面上形成硫酸盐。
2.根据权利要求I所述的方法，其中，硫酸水溶液具有O.1M-0. 3M的浓度。
3.根据权利要求I所述的方法，其中，通过下述步骤来实施所述提供水滑石的步骤将水滑石引入反应器中，在转动反应器的同时与丙烯酰胺类粘结剂一起搅拌水滑石，并对水滑石进行热处理，从而提供粒状的水滑石。
4.一种硫酸盐包覆的水滑石，所述硫酸盐包覆的水滑石通过下述步骤来获得 在270°C _300°C的温度下对在O. 1M-0. 3M的硫酸水溶液中浸过的水滑石进行热处理，从而在水滑石的表面上形成硫酸盐。
全文摘要
提供了一种其表面上包覆有硫酸盐的水滑石及其制备方法，以实现提高了的磷吸附效率。该制备硫酸盐包覆的水滑石的方法包括分别提供水滑石和硫酸水溶液；将水滑石浸入硫酸水溶液中；以及从硫酸水溶液中取出水滑石，并在270℃-300℃的温度下对水滑石进行热处理，从而在水滑石的表面上形成硫酸盐。
文档编号C02F1/42GK102941059SQ20121014845
公开日2013年2月27日 申请日期2012年5月14日 优先权日2011年5月13日
发明者李相协, 崔在佑, 李承沿, 洪锡垣, 李在祥, 朴基英 申请人:韩国科学技术研究院