鸟粪石复合材料及其制备方法和应用

本发明涉及新材料，特别是涉及一种鸟粪石复合材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、高浓度废水，如垃圾渗滤液等通常具有较高的氨氮和化学需氧量（cod），浓度可高达几千毫克每升，其中氮的主要存在形态为氨氮，约占据总氮比例的80％~90％，氨氮中的游离氨具有较大的毒性，高氨氮还会改变水体的生物化学性质，使得可生化性降低，去除难度较大；同时废水含有大量高分子有机物和易于溶解的腐殖质，cod高、难以降解，容易造成严重污染。传统的污水处理方法如生物膜等技术无法直接处理此类废水，因此，高氨氮、高cod的废水难以直接排入混合污水处理厂，需预先在厂内进行处理。

2、由于常用的生化处理方法难以取得满意的污染物去除效果，如何在废水预处理过程中有效降低高氨氮和高cod是当今环境领域重点研究的课题。磷酸铵镁（map，鸟粪石）结晶沉淀法，也称鸟粪石（mgnh4po4·6h2o）结晶沉淀法，是指通过将镁、正磷酸盐投加到富含氨的废水中，形成鸟粪石沉淀，从而实现废水脱氮，该方法现今在世界范围内应用较为广泛，技术相对成熟，生产规模大；但该方法需要消耗大量的化学试剂，投入成本较高，并且在处理过程中会产生大量的鸟粪石污泥，如何对鸟粪石污泥进行有效的资源化回收利用成为亟待解决的问题。

3、另外，吸附法是目前废水处理工艺中较为常用的物理方法，具有工艺简单、运行可靠、成本较低、适应性广等优点；而选择高效率且经济的吸附剂，成为吸附法处理废水的关键问题之一。综上，如何对鸟粪石污泥进行有效的资源化回收，制成可用于高氨氮和高cod废水处理的高效率、环境友好且经济的吸附剂，对现今废水处理问题具有重大现实意义和应用价值。

技术实现思路

1、基于此，有必要提供一种鸟粪石复合材料及其制备方法和应用，通过对污水处理中产生的大量鸟粪石污泥进行有效的资源化回收，制成可再生的环境友好、高效率且经济的鸟粪石复合材料，可作为吸附剂应用于处理高氨氮、高cod废水。

2、本发明的第一方面，提供一种鸟粪石复合材料的制备方法，包括以下步骤：

3、提供核-壳材料，所述核-壳材料的内核为鸟粪石，壳层为水滑石纳米片；

4、将所述核-壳材料进行煅烧，制备所述鸟粪石复合材料，所述煅烧的温度为200℃~300℃。

5、在其中一些实施例中，所述煅烧的时间为1h~5h。

6、在其中一些实施例中，所述核-壳材料的制备方法包括如下步骤：

7、将鸟粪石晶体与水混合，加入碱调节体系ph为9~12，搅拌，制备混合液；

8、向所述混合液中加入铝盐溶液进行反应，将所得反应液进行固液分离，收集固相，洗涤所得固相至中性，干燥，制备所述核-壳材料。

9、在其中一些实施例中，所述混合液的制备步骤满足如下条件中的至少一个：

10、（1）所述碱包括氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸氢铵、氧化钠和碳酸钠中的一种或多种；

11、（2）所述搅拌的时间为0.5h~2h；

12、（3）所述鸟粪石晶体的制备原料包括污水厂处理废水产生的鸟粪石污泥。

13、在其中一些实施例中，所述加入铝盐溶液的步骤满足如下条件中的至少一个：

14、（1）所述铝盐溶液中的铝盐包括硝酸铝、硫酸铝和氯化铝中的一种或多种；

15、（2）所述铝盐溶液的浓度为0.05mol/l~0.5mol/l；

16、（3）所述铝盐溶液的加入速度为0.1ml/min~3ml/min。

17、在其中一些实施例中，所述反应满足如下条件中的至少一个：

18、（1）所述鸟粪石晶体中的镁元素与所述铝盐溶液中的铝元素的摩尔比为（4-20）：1；

19、（2）所述反应温度为20℃~50℃；

20、（3）所述反应时间为1h~120h。

21、本发明的第二方面，提供如上所述的制备方法制得的鸟粪石复合材料。

22、本发明的第三方面，提供如上所述的鸟粪石复合材料在废水处理中的应用。

23、在其中一些实施例中，所述废水包括垃圾渗滤液、厌氧工艺上清液和氨工业废水中的一种或多种。

24、本发明的第四方面，提供一种废水吸附剂，包括如上所述的鸟粪石复合材料。

25、本发明具有如下有益效果：

26、本发明利用内核为鸟粪石，壳层为水滑石纳米片的核-壳结构的复合纳米材料，该材料经高温煅烧后的产物作为吸附剂吸附处理如垃圾渗滤液等高氨氮、高cod的废水，实现高效去除废水中的氨氮和有机物、净化水质的效果；而其中鸟粪石可以从污水厂处理污水时形成的大量鸟粪石污泥为前驱体获得，从而可实现将急需回收利用的鸟粪石污泥资源转化为具有吸附高氨氮、高cod的环境友好、高效率且经济的废水吸附剂，提供了一种鸟粪石污泥进行有效的资源化回收利用的可行途径。

27、上述核-壳材料经高温煅烧后制备的鸟粪石复合材料实现污水吸附效果的原理如下：

28、核-壳材料中的内核鸟粪石，即磷酸铵镁在高温煅烧条件下进行热分解后晶体结构会被破坏，铵根离子以氨气或铵根形式失去，得到的鸟粪石热解产物在溶液中能够与氨氮结合重新生成磷酸铵镁化合物。不同的热解温度对鸟粪石的晶体结构分解不相同，其吸附氨氮的能力也不同。经过高温煅烧后，核-壳材料层间的co32－分解成co2从层间逸出，水滑石纳米片的层间结构遭到破坏从而导致镁铝水滑石结构发生了一定改变，形成无定形结构，具有更大的比表面积。而镁铝水滑石具有独特的记忆效应，煅烧后的改性水滑石投入废水中，大量阴离子进入层间，水滑石层间结构实现重组，实现高效去除废水中的氨氮和有机物、净化水质的效果。

29、进一步地，所述鸟粪石复合材料在结构上具有独特的记忆效应，将该材料投入高氨氮、高cod的废水中，其吸附污染物后结构可再次恢复成高温煅烧前的结构，再次经高温煅烧可具有吸附功能，且经实验验证至少可以重复循环吸附废水3次以上，具有可再生循环使用的优势。

30、另外，本发明提供的鸟粪石复合材料的制备方法和工艺简单，原材料成本低、供应大、环保友好、适用性广泛、反应条件温和、可再生循环使用，能够大大降低生产和投入成本，适合推广应用。

技术特征：

1.一种鸟粪石复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的鸟粪石复合材料的制备方法，其特征在于，所述煅烧的时间为1h~5h。

3.根据权利要求1或2所述的鸟粪石复合材料的制备方法，其特征在于，所述核-壳材料的制备方法包括如下步骤：

4.根据权利要求3所述的鸟粪石复合材料的制备方法，其特征在于，所述混合液的制备步骤满足如下条件中的至少一个：

5.根据权利要求3所述的鸟粪石复合材料的制备方法，其特征在于，所述加入铝盐溶液的步骤满足如下条件中的至少一个：

6.根据权利要求3所述的鸟粪石复合材料的制备方法，其特征在于，所述反应满足如下条件中的至少一个：

7.权利要求1~6任一项所述的制备方法制得的鸟粪石复合材料。

8.权利要求7所述的鸟粪石复合材料在废水处理中的应用。

9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述废水包括垃圾渗滤液、厌氧工艺上清液和氨工业废水中的一种或多种。

10.一种废水吸附剂，其特征在于，包括如权利要求6所述的鸟粪石复合材料。

技术总结
本发明涉及一种鸟粪石复合材料及其制备方法和应用，所述鸟粪石复合材料可将急需回收利用的污水厂处理污水时形成的大量鸟粪石污泥转化为核‑壳结构的复合纳米材料，进而利用该材料经高温煅烧后的产物作为吸附剂吸附处理如垃圾渗滤液等高氨氮、高COD的废水，实现高效去除废水中的氨氮和有机物、净化水质的效果；同时，所述复合材料在结构上具有独特的记忆效应，吸附废水后经高温煅烧可具有吸附功能，实现可再生循环使用。进一步地，所述复合材料的制备方法和工艺简单，原材料成本低、供应大、环保友好、适用性广泛、反应条件温和，能够大大降低生产和投入成本，适合推广应用。

技术研发人员：索红日,黎璋焰,刘崇炫
受保护的技术使用者：南方科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/5