一种用于废水处理的纳米铁的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明是关于废水处理及城市与工业污泥处理的，尤其涉及一种采用污水厌氧消 化污泥和钢铁酸洗废水污泥制备废水处理用的纳米铁的方法，该纳米铁可以同时去除水中 染料和多种重金属。
【背景技术】
[0002] 城市污泥是城市生活污水、工业废水处理过程中产生的固体废弃物，是城市污水 处理厂的经常性产物。城市污泥中含水率高，有寄生虫卵及病原微生物等，如不加以妥善处 理，任意排放，将对环境产生严重的二次污染。
[0003] 城市污水污泥常规的处理与处置方式主要有：污泥堆肥、污泥消化、污泥填埋、污 泥焚烧及污泥填海等。
[0004] 欧美等发达国家在污水处理厂的建设中，城市污泥处理、处置的投资占总投资的 50-70%，而我国只有20-50%。随着我国城市化进程的加快及对环境保护的日益重视，城市 污水处理厂的数量迅速增加，导致污水污泥的产量剧增。据估算，目前我国城市污水处理厂 每年排放的污泥量（干重）大约为130万吨，而且年增长率大于10%，特别是在我国城市化 水平较高的几个城市与地区，污水污泥出路问题已经十分突出。
[0005] 在钢铁和钢铁制品厂中酸洗钢铁而产生大量的酸洗废水。为了保护环境、节约及 合理利用资源，国内外学者对酸洗废水处理进行了一些研宄，主要是采用直接焙烧法、酸盐 分离法及氧化中和法等回收酸洗废水中铁资源。
[0006] 目前，一些钢铁企业仍采用传统的处理方法，即一般采用石灰、电石渣或氢氧化钙 对其进行中和处理，同时产生大量的污泥，而且所产生的污泥再处理比较困难，占用大量的 土地，并造成二次污染和资源的浪费。随着我国钢铁产量和质量的提高，酸洗废水的数量迅 速增加，酸洗废水污泥的出路问题已经十分突出。
[0007] 化学合成的纳米铁粒径小，比表面积大，可吸附污染物并将其还原，已被广泛用于 地下水和土壤污染的原位修复，其修复性能优越，但是由于纳米铁的比表面积大，极易团 聚，而且其中起还原作用的零价铁在环境中易被氧化，影响其修复污染的稳定性。另外，化 学合成纳米铁要使用大量的化学试剂，成本很高。因此，研发具有抗团聚和抗氧化的低成本 纳米铁成为发展纳米铁材料的新方向。
[0008] 由于城市污泥中厌氧消化还含有丰富的蛋白质、低聚糖等有机物，有机物的浓度 一般为60-70%，本发明人在前期的研宄发现通过化学法可以提取钢铁酸洗废水污泥中的 铁盐。因此，将厌氧消化污泥中的蛋白质、低聚糖等有机物转化为还原性糖，用以还原钢铁 酸洗废水污泥中的铁盐，可制备含有零价铁的纳米铁，这种纳米铁能由于还原性糖上的羟 基等基团与纳米铁结合，使得纳米铁颗粒互相排斥而不易团聚，又可减少纳米铁与环境中 的氧反应的几率，起到很好的屏蔽效果，提高纳米铁的抗团聚和抗氧化。而且用固体废物污 水污泥和钢铁酸洗废水污泥为原料，可以降低纳米铁的制造成本，并将其用于同时去除废 水中染料和多种重金属，达到以废治废的目的。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的是针对现有纳米铁，容易聚集、抗氧化性较差及制造成本高的不足， 本发明首次提取厌氧消化污泥中有机物，将其作为还原剂还原从钢铁酸洗废水污泥中提取 的铁盐制备纳米铁，以实现对废水中染料和多种重金属的去除。
[0010] 本发明通过下述技术方案予以实现。
[0011] -种用于废水处理的纳米铁的制备方法，具有如下步骤：
[0012] ①提取厌氧消化污泥中有机物
[0013] 将含水率为40%的厌氧消化干污泥粉碎、研磨为粒径1mm的颗粒，置于去离子水 中，干污泥与去离子水的质量比为1 :25,再于60~100°C下水浴加热3~6h，过滤，保留滤 液；
[0014] 将滤后残渣重复上述水浴加热2次，将所有滤液混合，加入3mol/L的氢氧化钠溶 液，调节pH值为8. 5,得到有机物溶液，于真空干燥器中冷却，备用；
[0015] ②还原提取的有机物
[0016] 将步骤①中提取的有机物溶液中加入2mol/L的稀硫酸，有机物溶液与2mol/L的 稀硫酸的容量比为〇. 1~〇. 5:1，在50°C下水浴加热30min~2h，再用3mol/L的氢氧化钠 溶液调节pH值为9,得到还原的有机物溶液，置于真空冰箱中4°C保存；
[0017] ③提取钢铁酸洗废水污泥中的铁盐
[0018] 将钢铁酸洗废水污泥于105°C烘干12h，得到干化的钢铁酸洗废水污泥，研磨，过 100目筛；再将干化、过筛后的钢铁酸洗废水污泥浸入浓度为3mol/L的盐酸中，干化的钢铁 酸洗废水污泥与盐酸的质量比为〇. 5~5: 1，常温浸渍60min，过滤分离，得到铁盐的酸浸滤 液；
[0019] ④制备纳米铁
[0020] 在密闭容器中将步骤②中还原的有机物溶液与步骤③中铁盐的酸浸滤液混合，有 机物溶液与铁盐的酸浸滤液的容量比为1. 3~15:1，搅拌15min，得到黑色沉淀即为纳米 铁，抽滤，再用90%乙醇迅速洗涤沉淀3次，将沉淀转入抽真空容器中，得到纳米铁。
[0021] 所述步骤①的水浴温度为80°C，水浴加热4h。
[0022] 所述步骤②的有机物溶液与2mol/L的稀硫酸的容量比为0. 2:1，水浴加热lh。
[0023] 所述步骤③干化的钢铁酸洗废水污泥与3mol/L盐酸的质量比为2. 5 :1。
[0024] 所述将步骤②中还原的有机物溶液与步骤③中酸浸滤液混合，有机物溶液与铁盐 的酸浸滤液的容量比为5 :1。
[0025] 本发明的有益效果：首次采用污水厌氧消化污泥和钢铁酸洗废水污泥制备纳米 铁，并将其用于水中染料和多种重金属的去除。本发明废水中重金属的去除率达86~ 92%，COD的去除率为85%，废水中色度的去除率为97. 65%。
【具体实施方式】
[0026] 下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。
[0027] 本发明原料所用的污水污泥来自污水处理厂。
[0028] 实施例1
[0029] ①提取厌氧消化污泥中有机物
[0030] 将含水率为40%的厌氧消化干污泥粉碎、研磨为粒径1mm的颗粒，置于去离子水 中，干污泥与去离子水的质量比为1 :25,再于60°C下水浴加热6h，过滤，保留滤液；
[0031] 将滤后残渣重复上述水浴加热2次，将所有滤液混合，加入3mol/L的氢氧化钠溶 液，调节pH值为8. 5,得到有机物溶液，于真空干燥器中冷却，备用；
[0032] ②还原提取的有机物
[0033] 将步骤①中提取的有机物溶液中加入2mol/L的稀硫酸，有机物溶液与2mol/L的 稀硫酸的容量比为〇. 1: 1，在50°C下水浴加热2h，再用3mol/L的氢氧化钠溶液调节pH值为 9,得到还原的有机物溶液，置于真空冰箱中4°C保存；
[0034] ③提取钢铁酸洗废水污泥中的铁盐
[0035] 将钢铁酸洗废水污泥于105°C烘干12h，得到干化的钢铁酸洗废水污泥，研磨，过 100目筛；再将干化、过筛后的钢铁酸洗废水污泥浸入浓度为3mol/L的盐酸中，干化的钢铁 酸洗废水污泥与盐酸的质量比为〇. 5 :1，常温浸渍60min，过滤分离，得到铁盐的酸浸滤液；
[0036] ④制备纳米铁
[0037] 在密闭容器中将步骤②中还原的有机物溶液与步骤③中铁盐的酸浸滤液混合，有 机物溶液与铁盐的酸浸滤液的容量比为1. 3:1，搅拌15min，得到黑色沉淀即为纳米铁，抽 滤，再用90%乙醇迅速洗涤沉淀3次，将沉淀转入抽真空容器中，得到纳米铁。
[0038] 实施例1的废水中染料和重金属去除效果的检测：
[0039] 分别配制亚甲基蓝浓度为（20mg/L)与几种重金属Cu2+(浓度为15mg/L)、Zn2+(浓 度为40mg/L)、Pb2+ (浓度为40mg/L)和Cd2+ (浓度为40mg/L)的模拟混合废水，调节其pH值 为中性，再向其中各加入〇. 5g纳米铁，室温下振荡lh，过滤，用原子吸收光谱仪测定废水中 重金属离子的浓度，采用重铬酸钾法测定废水的COD，用色度仪测试废水中色度。
【主权项】
1. 一种用于废水处理的纳米铁的制备方法，具有如下步骤： ① 提取厌氧消化污泥中有机物 将含水率为40%的厌氧消化干污泥粉碎、研磨为粒径1_的颗粒，置于去离子水中，干 污泥与去离子水的质量比为1 :25,再于60~100°C下水浴加热3~6h，过滤，保留滤液； 将滤后残渣重复上述水浴加热2次，将所有滤液混合，加入3mol/L的氢氧化钠溶液，调 节pH值为8. 5,得到有机物溶液，于真空干燥器中冷却，备用； ② 还原提取的有机物 将步骤①中提取的有机物溶液中加入2mol/L的稀硫酸，有机物溶液与2mol/L的稀硫 酸的容量比为〇. 1~〇. 5:1，在50°C下水浴加热30min~2h，再用3mol/L的氢氧化钠溶液 调节pH值为9,得到还原的有机物溶液，置于真空冰箱中4°C保存； ③ 提取钢铁酸洗废水污泥中的铁盐 将钢铁酸洗废水污泥于l〇5°C烘干12h，得到干化的钢铁酸洗废水污泥，研磨，过100目 筛；再将干化、过筛后的钢铁酸洗废水污泥浸入浓度为3mol/L的盐酸中，干化的钢铁酸洗 废水污泥与盐酸的质量比为0. 5~5:1，常温浸渍60min，过滤分离，得到铁盐的酸浸滤液。 ④ 制备纳米铁 在密闭容器中将步骤②中还原的有机物溶液与步骤③中铁盐的酸浸滤液混合，有机物 溶液与铁盐的酸浸滤液的容量比为1. 3~15:1，搅拌15min，得到黑色沉淀即为纳米铁，抽 滤，再用90%乙醇迅速洗涤沉淀3次，将沉淀转入抽真空容器中，得到纳米铁。
2. 根据权利要求1所述的一种用于废水处理的纳米铁的制备方法，其特征在于，所述 步骤①的水浴温度为80 °C，水浴加热4h。
3. 根据权利要求1所述的一种用于废水处理的纳米铁的制备方法，其特征在于，所述 步骤②的有机物溶液与2mol/L的稀硫酸的容量比为0. 2:1，水浴加热lh。
4. 根据权利要求1所述的一种用于废水处理的纳米铁的制备方法，其特征在于，所述 步骤③干化的钢铁酸洗废水污泥与3mol/L盐酸的质量比为2. 5 :1。
5. 根据权利要求1所述的一种用于废水处理的纳米铁的制备方法，其特征在于，所述 将步骤②中还原的有机物溶液与步骤③中酸浸滤液混合，有机物溶液与铁盐的酸浸滤液的 容量比为5 :1。
【专利摘要】本发明公开了一种用于废水处理的纳米铁的制备方法，首先将含水的厌氧消化干污泥粉碎、研磨，置于去离子水中，水浴加热并重复3次，将所有滤液混合，调节pH值为8.5，得到有机物溶液；再按0.1～0.5:1的容量比加入稀硫酸，水浴加热后调节pH值为9，得到还原的有机物溶液；再由钢铁酸洗废水污泥中得到铁盐的酸浸滤液；最后将还原的有机物溶液与铁盐的酸浸滤液按1.3～15:1的容量比混合，搅拌后抽滤，洗涤，将沉淀转入抽真空容器，得到纳米铁。本发明用于水中染料和多种重金属的去除，重金属的去除率为86～92％，COD的去除率为85％，废水中色度的去除率为97.65％。
【IPC分类】C02F1-28, C02F1-70, C02F101-20, C02F103-30, B22F9-24
【公开号】CN104628073
【申请号】CN201510044175
【发明人】范晓丹, 张襄楷
【申请人】天津城建大学
【公开日】2015年5月20日
【申请日】2015年1月28日