一种天然矿土负载纳米除砷剂的制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种天然矿土负载纳米除砷剂的制备方法，包括将天然矿土加入金属盐溶液，再向其中加入碱溶液中，搅拌使其充分反应；过滤分离得到的产物进行清洗、干燥、粉碎、造粒制成直径为0.5mm-1.5mm的圆形小球，最后再烘干、烧结、自然冷却至室温即得天然矿土负载纳米除砷剂。本发明的除砷剂具有大比表面，能够提供较多的活性位点实现对砷高吸附容量，防止了纳米材料的团聚并避免对水体的二次污染，可广泛应用于高砷地表水净化处理、含砷污水处理等方面。
【专利说明】一种天然矿土负载纳米除砷剂的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种除砷剂，具体涉及一种天然矿土负载纳米除砷剂的制备方法。
【背景技术】
[0002]砷化合物容易在人体内积累，造成急性或慢性中毒，长期饮用砷超标的饮用水会导致机体代谢途径受阻，危害人体健康，造成特殊的地方病一 “地砷病”，砷化合物还是造成人类患肺癌、皮肤癌和其它内脏癌症的主要威胁之一。目前我国饮水型地方性砷中毒病区主要分布在山西、内蒙古、新疆、宁夏、吉林、四川、安徽、青海、黑龙江、河南、山东等省。因此，有效去除水体中的砷是关系到环境和人类健康的重要课题。
[0003]目前去除水中砷的方法较多，如混凝法、吸附法、离子交换法、膜方法及生物除砷法等，由于吸附法因效果可靠、操作简便、相对经济等优点成为除砷的首选方法。利用吸附法来处理水中砷的关键在于吸附材料的吸附效率及使用成本，而现有的常规吸附材料存在着吸附速率较慢、吸附容量低及使用成本较高的不足。
[0004]中国专利200810021835.X，名称为凹凸棒除砷剂，其公开了由改性凹凸棒石粘土、活性凹凸棒石粘土、氢氧化钙、氯化铁和高锰酸钾组成通过混合、磨粉制成的除砷剂。使用时是直接将凹凸棒除砷剂撒入水体进行搅拌，凹凸棒除砷剂在水体中与砷、氟和铅等重金属产生化学反应，并迅速产生絮凝，将砷、氟和铅等重金属絮凝包裹后沉淀，对水中砷有一定的去除作用，但是结合了砷的除砷剂仍然保留在水体中，并且除砷剂中其他组分凹凸棒土、氢氧化钙等粉体由于颗粒细度小于0.074mm,也会保留在水体中，也很难去除，这些均会对水体带来二次污染。
[0005]纳米材料因其尺度小、比表面积大、吸附能力强等优点而在含砷水处理中受到广泛重视。然而在实际应用中，由于纳米材料多是细微粉末，当被投入水中时，这些细微颗粒很容易团聚而失活，从而导致吸附性能下降。并且，水处理后需要固液分离从而增加成本。此外，在实际使用中，纯的纳米材料难以回收和重复利用，一旦回收不彻底，将导致吸附了砷的纳米材料保留在水中，造成二次污染。
[0006]
【发明内容】
[0007]为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种天然矿土负载纳米除砷剂的制备方法，解决了纳米材料团聚失活与二次污染水体的问题，提高对砷的吸附容量。
[0008]本发明所采用的技术方案:
一种天然矿土负载纳米除砷剂的制备方法，包括以下步骤:
(1)将天然矿土加入金属盐溶液，搅拌使金属盐离子均匀、充分地进入天然矿土的孔道
中；
(2)向(I)中加入碱溶液中，搅拌使其充分反应；
(3)将(2)中反应溶液静置后通过孔径为I微米的膜进行过滤分离得到产物； (4)将(3)中分离产物用水进行清洗后再进行干燥、粉碎得粒径小于0.1mm的粉末；
(5)利用造粒机将(4)中粉末造粒制成直径为0.5mm-1.5mm的圆形小球,烘干、烧结、自然冷却至室温即得天然矿土负载纳米除砷剂。
[0009]进一步，所述步骤(I)中金属盐溶液是由金属盐溶解在水形成的金属离子的浓度为 0.2-10mol/L。
[0010]进一步，所述步骤(I)中金属盐为铁盐、铝盐、铁盐和铝盐的混合盐、铁盐和镁盐的混合盐或铝盐和镁盐的混合盐。
[0011]更进一步，所述铁盐为硝酸铁、硫酸铁、氯化铁、乙酸铁或草酸铁中的至少一种；所述铝盐为硝酸铝、硫酸铝、氯化铝、乙酸铝或草酸铝中的至少一种；所述镁盐为硝酸镁、硫酸镁、氯化镁、乙酸镁或草酸镁中的至少一种。
[0012]进一步，所述步骤(I)中天然矿土为凹凸棒土、高岭土、膨润土或硅藻土。
[0013]进一步,所述步骤(I)中金属盐与天然矿土的质量比为1:10-5:1。
[0014]进一步，所述步骤(2)中碱溶液是由碱溶解于水中形成的碱浓度为0.5-10 mol/L,所述碱为氢氧化钠、氢氧化钾或氨水中的至少一种。
[0015]进一步，所述步骤(2)中碱溶液的加入量为使反应溶液的pH值为7-7.5。
[0016]进一步，所述步骤(5)中烘干温度为100_150°C，烧结温度为160_500°C。
[0017]将天然矿土加入金属盐溶液，金属离子由于自身的扩散作用，在搅拌情况下下，其在溶液中各个部分的浓度基本相同。另外，由于金属离子的直径是10-1°纳米级，因此其很容易进入天然矿土的孔道中，在离子之间的相互静电吸引作用下，金属离子很牢固地吸附在天然矿土的孔道中。用膜过滤分离时，由于天然矿土是微米量级的粉末，它们的粒径要大于过滤所用的孔径为I微米膜，故将负载了金属离子的天然矿土分离出来，而溶液中未参与反应的金属离子则会随着水一起被过滤分离掉。然后将分离产物进行干燥，使金属离子与碱溶液反应生成的氢氧化铁Fe (OH)3受热时脱水形成羟基氧化铁(FeOOH)吸附在矿土的孔道中，当遇到水中砷(As0/_或AsO广)的时候，FeOOH中的OH就被砷(As043_或AsO广)替代了，形成了 FeO (AsO广)X或FeO (AsO广)x沉淀物，仍被固定在除砷剂的孔道中，从而达到除砷的目的。
[0018]本发明制备的除砷剂是以天然矿土为载体，金属离子负载在矿土的孔道再与碱溶液进行化学反应，再经过过滤、干燥、粉碎、造粒、烘干、烧结等步骤后将负载了纳米吸附材料的天然矿土制作成直径0.5mm-1.5mm的球形物。将这些颗粒装入过滤柱或者滤芯，在过滤柱或滤芯的两端均有过滤网，在允许水流正常通过的同时可以限制圆形除砷剂在过滤柱或滤芯中。当含有砷的水通过过滤柱或者滤芯之后，过滤柱或者滤芯中负载在矿土上的纳米材料在配位作用下会选择性的高效吸附水溶液中的砷，与砷反应生成沉淀物，沉淀物跟纳米材料一起被固定在除砷剂的孔道中，从而可以有效去除水中的砷。
[0019]所以本发明制备的天然矿土负载纳米除砷剂具有以下有益效果:
1、本发明的除砷剂是烧结后形成球形矿土颗粒，从而具有较强的机械强度，在水流的条件下仍可以有效的将纳米材料固定在其内部的孔道内，从而避免纳米材料流失而提高除砷剂的吸附能力。
[0020]2、由于矿土颗粒的多条孔道还能够有效防止纳米材料的团聚，可以避免因为纳米材料团聚而导致自身吸附性能的下降。[0021]3、本发明提供的除砷剂具有大比表面，能够提供较多的活性位点实现对砷高吸附容量，可广泛应用于高砷地表水净化处理、含砷污水处理等方面。
[0022]4、除砷剂中金属离子吸附水中的砷后被固定在球形矿土颗粒的内部，避免其对水体的二次污染。
[0023]5、由本发明的除砷剂装入过滤柱或滤芯中，当其吸附砷达到饱和后，重新更换过滤柱或滤芯即可，而无需特意回收吸附了砷的纳米材料，其操作简单。
[0024]6、本发明除砷剂的制备方法是在常压下进行制备，工艺简单，安全可靠，设备投资少，操作容易，易于实现大规模制备。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1是本发明制备的天然矿土负载纳米除砷剂的扫描电镜图；
图2是本发明制备的除砷剂进行去砷试验数据分析的吸附等温线图；
图3是本发明制备的除砷剂置于过滤柱中进行动态除砷实验后水溶液中所剩的砷浓度随处理水量的变化图。
[0026]【具体实施方式】
[0027]以下结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明。
[0028]实施例一:
(1)将1088.4克凹凸棒土加入4.5升lmol/L硝酸铁水溶液中(金属盐质量为1088.4g)，强烈搅拌60分钟，搅拌使金属盐离子均匀、充分地进入天然矿土的孔道中；
(2)按体积比1:1，向(I)中混合液中加入3mol/L的氢氧化钠水溶液中直至反应溶液的PH值为7，搅拌120分钟，使其充分反应；
(3)将(2)中反应溶液静置360分钟后通过孔径为I微米的膜进行过滤分离得到产物；
(4)将(3)中分离产物用水进行清洗后再进行干燥、粉碎得粒径小于0.1mm的粉末；
(5)利用造粒机将(4)中粉末造粒制成直径为1.0mm的圆形小球,于110°C烘干60分钟，然后再在300°C温度下烧结4小时，最后自然冷却至室温即得天然矿土负载纳米除砷剂。
[0029]实施例一制备的天然矿土负载纳米除砷剂使用扫描电镜(SEM)进行表征的结果见图1所示。
[0030]将实施例一制备的天然矿土负载纳米除砷剂置于含砷水溶液中(砷含量为
l-140ppm)所测得的吸附等温曲线见图2所示。其测试的条件为:除砷剂占含砷水溶液的质量体积比为0.5g/L，工作温度为25度，pH为7。
[0031]由图2所示的吸附等温曲线可看出，除砷剂对水中砷的吸附容量可以达到24mg/g°
[0032]将实施例一制备的天然矿土负载纳米除砷剂置于过滤柱中对含砷水溶液进行动态除砷实验，其水溶液中所残留的砷浓度分析，具体见图3所示。
[0033]其中待处理水溶液中砷的浓度为200ppb，pH值为7，流速600ml/h，过滤柱中滤料的体积为50cm3。图3中横坐标表示所处理的水的体积与过滤柱中滤料体积的比值，纵坐标表示处理后水中砷的含量，单位为ppb。图中位于IOppb和50ppb的两条虚线分别是国家《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)所规定城市和农村饮用水中砷含量的值。
[0034]从图3中可以看出单位体积的滤料可以处理其自身体积4900倍的水，使水中砷的含量低于IOppb;当处理了为除砷滤料体积的7300倍水后，处理后水中的砷含量达到50ppb,其均符合《生活饮用水卫生标准》的数值。所以本发明制备的天然矿土负载纳米除砷剂可以有效去除砷超标的水中砷至国家标准以下。
[0035]实施例二
(1)将559.8克凹凸棒土加入3.5升0.4mol/L硫酸铁水溶液中(金属盐质量为559.8g)，强烈搅拌50分钟，搅拌使金属盐离子均匀、充分地进入天然矿土的孔道中；
(2)向(I)中混合液中按体积比5:3加入4mol/L的氢氧化钠水溶液中直至反应溶液的pH值为7.5，搅拌150分钟，使其充分反应；
(3)将(2)中反应溶液静置360分钟后通过孔径为I微米的膜进行过滤分离得到产物；
(4)将(3)中分离产物用水进行清洗后再进行干燥、粉碎得粒径小于0.1mm的粉末；
(5)利用造粒机将(4)中粉末造粒制成直径为1.1mm的圆形小球,于130°C烘干50分钟，然后再在350°C温度下烧结3.5小时，最后自然冷却至室温即得天然矿土负载纳米除砷剂。
[0036]实施例三
(I)将405.5克凹凸棒土加入5升lmol/L氯化铁水溶液中(金属盐质量为811.0lg),强烈搅拌90分钟，搅拌使金属盐离子均匀、充分地进入天然矿土的孔道中；(2)向(I)中混合液中按体积比1:1加入3mol/L的氢氧化钠水溶液中直至反应溶液的pH值为7，搅拌100分钟，使其充分反应；
(3)将(2)中反应溶液静置360分钟后通过孔径为I微米的膜进行过滤分离得到产物；
(4)将(3)中分离产物用水进行清洗后再进行干燥、粉碎得粒径小于0.1mm的粉末；
(5)利用造粒机将(4)中粉末造粒制成直径为0.8mm的圆形小球，于120°C烘干70分钟，然后再在375°C温度下烧结4.5小时，最后自然冷却至室温即得天然矿土负载纳米除砷剂。
[0037]实施例四
(1)将297.7克高岭土加入由2.7mol硝酸铁、1.8mol氯化铝和4.5L水形成的溶液中(金属盐质量为893g)，强烈搅拌60分钟，搅拌使金属盐离子均匀、充分地进入天然矿土的孔道中；
(2)向(I)中混合液中按体积比1:2加入1.5mol/L的氢氧化钠水溶液中直至反应溶液的PH值为7，搅拌120分钟，使其充分反应；
(3)将(2)中反应溶液静置360分钟后通过孔径为I微米的膜进行过滤分离得到产物；
(4)将(3)中分离产物用水进行清洗后再进行干燥、粉碎得粒径小于0.1mm的粉末；
(5)利用造粒机将(4)中粉末造粒制成直径为1.5mm的圆形小球,于110°C烘干60分钟，然后再在300°C温度下烧结4小时，最后自然冷却至室温即得天然矿土负载纳米除砷剂。
[0038]实施例五
(I)将219克高岭土加入由1.2mol乙酸铁、2.8mol硝酸铝和4L水形成的溶液中(金属盐质量为875.99g)，强烈搅拌80分钟，搅拌使金属盐离子均匀、充分地进入天然矿土的孔道中；
(2)向(I)中混合液中按体积比3:2加入4.5mol/L的氢氧化钾水溶液中直至反应溶液的PH值为7.5，搅拌160分钟，使其充分反应；
(3)将(2)中反应溶液静置360分钟后通过孔径为I微米的膜进行过滤分离得到产物；
(4)将(3)中分离产物用水进行清洗后再进行干燥、粉碎得粒径小于0.1mm的粉末；
(5)利用造粒机将(4)中粉末造粒制成直径为1.2mm的圆形小球，于135°C烘干80分钟，然后再在400°C温度下烧结3小时，最后自然冷却至室温即得天然矿土负载纳米除砷剂。
[0039]实施例六
(1)将975.1克高岭土加入由0.7mol硫酸铁、1.4mol硝酸镁和3.5L水形成的溶液中(金属盐质量为487.55g)，强烈搅拌50分钟，搅拌使金属盐离子均匀、充分地进入天然矿土的孔道中；
(2)向(I)中混合液中按体积比1:1加入2mol/L的氢氧化钾水溶液中直至反应溶液的pH值为7.5，搅拌150分钟，使其充分反应；
(3)将(2)中反应溶液静置360分钟后通过孔径为I微米的膜进行过滤分离得到产物；
(4)将(3)中分离产物用水进行清洗后再进行干燥、粉碎得粒径小于0.1mm的粉末；
(5)利用造粒机将(4)中粉末造粒制成直径为0.9mm的圆形小球，于130°C烘干50分钟，然后再在350°C温度下烧结3.5小时，最后自然冷却至室温即得天然矿土负载纳米除砷剂。
[0040]实施例七
(1)将1770.9克硅藻土加入由0.6mol硫酸铁、1.2mol氯化镁和6L水形成的溶液中(金属盐质量为354.18g)，强烈搅拌60分钟，搅拌使金属盐离子均匀、充分地进入天然矿土的孔道中；
(2)向(I)中混合液中按体积比6:2加入3mol/L的氢氧化钾水溶液中直至反应溶液的pH值为7，搅拌120分钟，使其充分反应；
(3)将(2)中反应溶液静置360分钟后通过孔径为I微米的膜进行过滤分离得到产物；
(4)将(3)中分离产物用水进行清洗后再进行干燥、粉碎得粒径小于0.1mm的粉末；
(5)利用造粒机将(4)中粉末造粒制成直径为0.5mm的圆形小球,于140°C烘干50分钟，然后再在450°C温度下烧结2.5小时，最后自然冷却至室温即得天然矿土负载纳米除砷剂。
[0041]实施例八
(1)将255.6克娃藻土加入由6mol的硝酸招和5L水形成的溶液中(金属盐质量为1278g)，强烈搅拌90分钟，搅拌使金属盐离子均匀、充分地进入天然矿土的孔道中；
(2)向(I)中混合液中按体积比5:4加入4.5mol氢氧化钠水溶液中直至反应溶液的pH值为7，搅拌150分钟，使其充分反应；
(3)将(2)中反应溶液静置360分钟后通过孔径为I微米的膜进行过滤分离得到产物；
(4)将(3)中分离产物用水进行清洗后再进行干燥、粉碎得粒径小于0.1mm的粉末；
(5)利用造粒机将(4)中粉末造粒制成直径为0.6mm的圆形小球，于120°C烘干80分钟，然后再在300°C温度下烧结5小时，最后自然冷却至室温即得天然矿土负载纳米除砷剂。
[0042]实施例九
(1)将750克硅藻土加入由2.25mol的硫酸铝和4.5L水形成的溶液中(金属盐质量为769.84g)，强烈搅拌80分钟，搅拌使金属盐离子均匀、充分地进入天然矿土的孔道中；
(2)向(I)中混合液中按体积比2:3加入2mol/L氢氧化钾水溶液中直至反应溶液的pH值为7，搅拌130分钟，使其充分反应；
(3)将(2)中反应溶液静置360分钟后通过孔径为I微米的膜进行过滤分离得到产物；
(4)将(3)中分离产物用水进行清洗后再进行干燥、粉碎得粒径小于0.1mm的粉末；
(5)利用造粒机将(4)中粉末造粒制成直径为1.3mm的圆形小球，于125°C烘干80分钟，然后再在350°C温度下烧结4.5小时，最后自然冷却至室温即得天然矿土负载纳米除砷剂。
[0043]实施例十
(1)将3200克膨润土加入由2.4mol氯化铝和6L水形成的溶液中(金属盐质量为320g)，强烈搅拌50分钟，搅拌使金属盐离子均匀、充分地进入天然矿土的孔道中；
(2)向(I)中混合液中按体积比10:4加入3mol/L氢氧化钾水溶液中直至反应溶液的pH值为7，搅拌140分钟，使其充分反应；
(3)将(2)中反应溶液静置360分钟后通过孔径为I微米的膜进行过滤分离得到产物；
(4)将(3)中分离产物用水进行清洗后再进行干燥、粉碎得粒径小于0.1mm的粉末；
(5)利用造粒机将(4)中粉末造粒制成直径为1.4mm的圆形小球,于120°C烘干80分钟，然后再在250°C温度下烧结6小时，最后自然冷却至室温即得天然矿土负载纳米除砷剂。
[0044]实施例^^一
(1)将450克膨润土加入由2.4mol硝酸铝、1.2mol氯化镁和3L水形成的溶液中(金属盐质量为625.44g)，强烈搅拌50分钟，搅拌使金属盐离子均匀、充分地进入天然矿土的孔道中；
(2)向(I)中混合液中按体积比1:1加入3.2mol/L氢氧化钠水溶液中直至反应溶液的pH值为7，搅拌150分钟，使其充分反应；
(3)将(2)中反应溶液静置360分钟后通过孔径为I微米的膜进行过滤分离得到产物；
(4)将(3)中分离产物用水进行清洗后再进行干燥、粉碎得粒径小于0.1mm的粉末；
(5)利用造粒机将(4)中粉末造粒制成直径为0.7mm的圆形小球，于130°C烘干70分钟，然后再在350°C温度下烧结5小时，最后自然冷却至室温即得天然矿土负载纳米除砷剂。
[0045]实施例十二
(1)将650克膨润土加入由1.2mol硫酸铝、1.6mol氯化镁和4L水形成的溶液中(金属盐质量为562.92g)，强烈搅拌60分钟，搅拌使金属盐离子均匀、充分地进入天然矿土的孔道中；
(2)向(I)中混合液中按体积比1:1加入2.6mol/L氢氧化钾水溶液中直至反应溶液的pH值为7，搅拌140分钟，使其充分反应； (3)将(2)中反应溶液静置360分钟后通过孔径为I微米的膜进行过滤分离得到产物；
(4)将(3)中分离产物用水进行清洗后再进行干燥、粉碎得粒径小于0.1mm的粉末；
(5)利用造粒机将(4)中粉末造粒制成直径为1.1mm的圆形小球，于125°C烘干70分钟，然后再在425°C温度下烧结3.5小时，最后自然冷却至室温即得天然矿土负载纳米除砷剂。
【权利要求】
1.一种天然矿土负载纳米除砷剂的制备方法，其特征在于:包括以下步骤: (1)将天然矿土加入金属盐溶液，搅拌使金属盐离子均匀、充分地进入天然矿土的孔道中； (2)向(I)中加入碱溶液中，搅拌使其充分反应； (3)将(2)中反应溶液静置后通过孔径为I微米的膜进行过滤分离得到产物；(4)将(3)中分离产物用水进行清洗后再进行干燥、粉碎得粒径小于0.1mm的粉末； (5)利用造粒机将(4)中粉末造粒制成直径为0.5mm-1.5mm的圆形小球,烘干、烧结、自然冷却至室温即得天然矿土负载纳米除砷剂。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于:所述步骤(I)中金属盐溶液是由金属盐溶解在水形成金属离子的浓度为0.2-10mol/L。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于:所述步骤(I)中金属盐为铁盐、铝盐、铁盐和铝盐的混合盐、铁盐和镁盐的混合盐或铝盐和镁盐的混合盐。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于:所述铁盐为硝酸铁、硫酸铁、氯化铁、乙酸铁或草酸铁中的至少一种；所述铝盐为硝酸铝、硫酸铝、氯化铝、乙酸铝或草酸铝中的至少一种；所述镁盐为硝酸镁、硫酸镁、氯化镁、乙酸镁或草酸镁中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于:所述步骤(I)中天然矿土为凹凸棒土、高岭土、膨润土或硅藻土。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于:所述步骤(I)中金属盐与天然矿土的质量比为I: 10-5:1。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于:所述步骤(2)中碱溶液是由碱溶解于水形成的碱浓度为0.5-10 mol/L，所述碱为氢氧化钠、氢氧化钾或氨水中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于:所述步骤(2)中碱溶液的加入量为使反应溶液的PH值为7-7.5。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于:所述步骤(5)中烘干温度为100-150°C，烧结温度为 160-500°C。
【文档编号】B01J20/30GK103599746SQ201310537607
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2013年11月4日 优先权日:2013年11月4日
【发明者】孙柏, 孙令涛, 贾勇, 遇鑫遥, 金震, 罗涛, 刘锦淮 申请人:中国科学院合肥物质科学研究院