一种煤矸石改性重金属吸附剂及其制备方法

本发明属于吸附剂，具体是指一种煤矸石改性重金属吸附剂及其制备方法。

背景技术：

1、煤矸石是一种在采掘选洗煤炭过程中得到的与煤伴生、共生的岩石，是煤炭生产和加工过程中产生的工业固体废弃物，煤矸石成分复杂，不同地区组成成分不完全相同，但从化学成分上来说，主要成分为二氧化硅和氧化铝；煤矸石的大量堆积占据土地，堆积后容易坍塌、自燃甚至爆炸，煤矸石容易发生风化，遇风会产生扬尘造成大气污染，另外携带的重金属元素随着雨水渗透地下，会造成土壤和水污染等问题，因此煤矸石的有效利用是急需解决的问题；纤维素是地球上最丰富的多糖类物质，但大量如秸秆等纤维素仅作为废弃物进行焚烧，或有限的运用于造纸等低附加值产业行业，造成了极大的资源浪费，如果不对废弃物进行有效处理甚至会导致严重的环境污染；工业废水中主要的污染物为铅、镉、铁、铜、锌、汞、银等以离子或水合物等形态存在的重金属，重金属难以自然降解、易于聚集，容易生成毒性剧烈的金属氧化物，如果不对工业废水进行处理直接排放，会导致大片土壤和水源的重金属污染，破坏地面、水中植物的生长环境以及区域的生态结构，动植物体内重金属的富集最终会随着食物链危害人类的生命健康；以吸附剂处理污水的吸附法因操作简单、重金属可回收等优点被广泛使用，根据吸附剂与污染物质之间的作用方式可把吸附分为物理吸附、化学吸附及离子交换吸附，但现有的吸附材料如活性炭、有机树脂、分子筛等存在再生成本高、吸附容量有限、可再生性差等问题在使用上受到限制。

2、目前现有技术主要存在以下问题：煤矸石制备吸附剂的吸附量低、再生成本高。

技术实现思路

1、针对上述情况，为克服现有技术的缺陷，本发明提供了一种煤矸石改性重金属吸附剂及其制备方法，为了解决吸附剂吸附量低、可再生性差的问题，本发明提出通过碱热熔、酸浸的方式制备煤矸石吸附剂，实现了煤矸石吸附剂的高比表面，通过秸秆制备改性纤维素并对硅烷偶联剂处理过后的煤矸石吸附剂进行改性，增大了比表面积，增加了活性基团，进而实现吸附剂对重金属吸附效果的提升。

2、为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：本发明提出了一种煤矸石改性重金属吸附剂及其制备方法，所述煤矸石改性重金属吸附剂包括如下重量份的组分：煤矸石吸附剂90-135份、小麦秸秆10-16份、γ-氨丙基三乙氧基硅烷3-5份。

3、优选地，所述煤矸石吸附剂的制备方法，具体包括如下步骤：

4、步骤一、将煤矸石进行粉碎研磨过200目筛得到煤矸石粉末，将碳酸钠与煤矸石粉末以0.5-0.7:1的质量比混合均匀，得到混合粉；

5、步骤二、将步骤一所得混合粉加入马弗炉中以800℃的温度煅烧5h，得到煅烧产物，然后将煅烧产物以0.08-0.12g/ml的添加量加入到摩尔浓度为4mol/l的硫酸溶液中进行酸浸，85-95℃保温搅拌4-6h，过滤洗涤干燥，得到酸浸产物；

6、步骤三、将步骤二所得酸浸产物以0.12-0.16g/ml的添加量加入到质量浓度为0.4%的碳酸氢钠溶液中搅拌得到分散液，将四乙基氢氧化铵以0.15-0.17g/ml的添加量滴加到分散液中，90℃加热搅拌1h，得到混合液，将聚合氯化铝以0.8-1.2g/ml的添加量加入混合液中，混合均匀，90℃加热搅拌5h，得到分子筛前驱体；

7、步骤四、将步骤三所得分子筛前驱体加入到水热釜中180℃加热反应48h，过滤洗涤干燥，冷却至室温，以5℃/min的速率加热至600℃，在600℃条件下持续煅烧2h，得到煤矸石吸附剂。

8、优选地，所述煤矸石改性重金属吸附剂的制备方法，具体包括如下步骤：

9、s1、将煤矸石吸附剂加入到以无水乙醇为溶剂的体积浓度为3.5%的γ-氨丙基三乙氧基硅烷溶液中，60℃水浴搅拌6h，过滤洗涤干燥，得到硅烷改性吸附剂；

10、s2、将小麦秸秆经清洗、晾晒、烘干、粉碎后过50目筛，得到秸秆粉末，将秸秆粉末加入到5%的氢氧化钠溶液中，80℃水浴2h，过滤洗涤，得到碱化秸秆粉；

11、s3、将s2所得碱化秸秆粉加入到摩尔浓度为25mol/l的亚氯酸钠溶液中，调节ph为6-7，75℃水浴搅拌40min，过滤洗涤干燥，得到秸秆纤维素；

12、s4、将s3所得秸秆纤维素加入到体积分数为80%乙醇溶液中，65℃水浴搅拌30min，得到纤维素分散液，加入氢氧化钠继续保温搅拌2h，随后加入氯乙酸继续保温搅拌1.5h，调节ph为6，过滤洗涤得到羧甲基纤维素；

13、s5、将s4所得羧甲基纤维素加入到去离子水中，搅拌均匀，加入1.5-2.5倍摩尔量的次氯酸钠，搅拌均匀，避光反应2-3h，加入乙二醇终止反应，透析、浓缩、冷冻干燥得到氧化羧甲基纤维素；

14、s6、将s1所得硅烷改性吸附剂加入到水中，加入s5所得氧化羧甲基纤维素，水浴搅拌20h，过滤洗涤干燥得到煤矸石改性重金属吸附剂。

15、优选地，在s1中，所述煤矸石吸附剂在γ-氨丙基三乙氧基硅烷溶液中的添加量为40-60mg/ml；

16、优选地，在s2中，所述秸秆粉末在氢氧化钠溶液中的添加量为50-55mg/ml；

17、优选地，在s3中，所述碱化秸秆粉在亚氯酸钠溶液中的添加量为0.08-0.12g/ml；

18、优选地，在s4中，所述秸秆纤维素在乙醇溶液中的添加量为0.13-0.15g/ml；

19、优选地，在s4中，所述氢氧化钠的添加量为纤维素分散液质量百分数的6-9%；

20、优选地，在s4中，所述氯乙酸的添加量为纤维素分散液质量百分数的7-8%。

21、本发明取得的有益效果如下：通过碱热熔、酸浸的方式对煤矸石进行处理，煤矸石主要成分为二氧化硅和氧化铝，大量si-o-si和al-o-al键能够产生偶极-偶极键的吸附作用，加入聚合氯化铝，进一步调整硅铝比，制备得到具有多孔结构的煤矸石吸附剂，拓宽了微孔孔径，增大了比表面积，以γ-氨丙基三乙氧基硅烷对煤矸石吸附剂进行表面功能化改性，在煤矸石表面以及孔洞结构中加载氨基基团，通过官能团的化学吸附作用，增强对重金属阳离子的吸附能力，以小麦秸秆制备纤维素并进行羧甲基化以及氧化改性，得到带有羧甲基与醛基基团的氧化羧甲基纤维素，并利用其醛基基团与硅烷改性吸附剂上带有的氨基相结合得到稳定的交联结构，均匀负载于煤矸石上，增加吸附剂的比表面积以及醛基和羧甲基基团的负载量，进而提高吸附剂对重金属离子的吸附效果，醛基和氨基形成的亚胺结构也可作为电子予体，与重金属离子形成配合物，提高吸附剂对重金属离子的吸附效果；此外煤矸石和秸秆是生活生产中常见的废弃物，以此作为原材料制备吸附剂应用于工业污水等方面，达到了废物利用和以废治废的效果，保护了环境，为废弃物的有效利用提供了新途径。

技术特征：

1.一种煤矸石改性重金属吸附剂，其特征在于：所述煤矸石改性重金属吸附剂包括如下重量份的组分：煤矸石吸附剂90-135份、小麦秸秆10-16份、γ-氨丙基三乙氧基硅烷3-5份；所述煤矸石吸附剂的制备方法，具体包括如下步骤：

2.一种根据权利要求1所述的煤矸石改性重金属吸附剂的制备方法，其特征在于：具体包括如下步骤：

3.根据权利要求2所述的煤矸石改性重金属吸附剂的制备方法，其特征在于：在s1中，所述煤矸石吸附剂在γ-氨丙基三乙氧基硅烷溶液中的添加量为40-60mg/ml。

4.根据权利要求3所述的煤矸石改性重金属吸附剂的制备方法，其特征在于：在s2中，所述秸秆粉末在氢氧化钠溶液中的添加量为50-55mg/ml。

5.根据权利要求4所述的煤矸石改性重金属吸附剂的制备方法，其特征在于：在s3中，所述碱化秸秆粉在亚氯酸钠溶液中的添加量为0.08-0.12g/ml。

6.根据权利要求5所述的煤矸石改性重金属吸附剂的制备方法，其特征在于：在s4中，所述秸秆纤维素在乙醇溶液中的添加量为0.13-0.15g/ml。

7.根据权利要求6所述的煤矸石改性重金属吸附剂的制备方法，其特征在于：在s4中，所述氢氧化钠的添加量为纤维素分散液质量百分数的6-9%。

8.根据权利要求7所述的煤矸石改性重金属吸附剂的制备方法，其特征在于：在s4中，所述氯乙酸的添加量为纤维素分散液质量百分数的7-8%。

技术总结
本发明公开了吸附剂技术领域的一种煤矸石改性重金属吸附剂及其制备方法，包括如下重量份的组分：煤矸石吸附剂90‑135份、小麦秸秆10‑16份、γ‑氨丙基三乙氧基硅烷3‑5份。本发明提供了一种煤矸石改性重金属吸附剂及其制备方法，为了解决吸附剂吸附量低、可再生性差的问题，本发明提出通过碱热熔、酸浸的方式制备煤矸石吸附剂，实现了煤矸石吸附剂的高比表面，通过秸秆制备改性纤维素并对硅烷偶联剂处理过后的煤矸石吸附剂进行改性，增大了比表面积，增加了活性基团，进而实现吸附剂对重金属吸附效果的提升。

技术研发人员：杨阳,胡爱萍,杨宏平,李平,刘莉萍,郭建博
受保护的技术使用者：陇东学院
技术研发日：
技术公布日：2024/3/17