采用低能粒子改性粉煤灰的方法
【专利摘要】本发明提供了一种采用低能粒子改性粉煤灰的方法，包括通过以较低能量、一定剂量的离子束辐照粉煤灰颗粒，并持续一定的时间，得到改性粉煤灰的步骤。采用本发明的改性方法，可以破坏粉煤灰的粗大多孔的玻璃体，解除其粘结，改善表面物理活性；而且可以破坏玻璃体表面的保护膜，致使内部SiO2、Al2O3溶出断键增多，活化组分增加，提高其化学活性。
【专利说明】采用低能粒子改性粉煤灰的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种材料改性【技术领域】，特别是一种采用低能粒子改性粉煤灰的方法。
【背景技术】
[0002]我国粉煤灰年排放总量已超过2亿t，但利用率低于50%。而且由于堆放占用了大量的土地资源，尤其容易污染空气，形成雾霾。因此，如何使粉煤灰“变废为宝”，有着重要的学术和经济意义。粉煤灰的组成是高效絮凝剂的主要化学成分Al、S1、Fe ;而且，由于多孔颗粒形状使其比表面积较大，颗粒分散性能奠定了在水处理中的应用基础。但是用粉煤灰处理废水存在吸附容量有限的问题。由于化学改性方法大部分只能对粉煤灰颗粒表面进行活化，没有对粉煤灰颗粒的内部结构进行充分的处理和利用，从而使提高粉煤灰的吸附容量成为工业大规模利用的关键。因此，对粉煤灰进行表面和内部有效改性，能极大地提高粉煤灰的吸附容量。
[0003]目前，常用的粉煤灰改性方法有:酸改性、碱改性、盐改性等。如:将粉煤灰用7M的NaOH经水热处理制得沸石的比表面积是原灰的8倍，对阳离子性染料的吸附量是原灰的10倍；利用粉煤灰和过氧化氢联合处理印染废水，可以对印染废水脱色和去除COD ;用硫酸处理粉煤灰，可以增强粉煤灰的吸附能力。这些化学改性方法都是粉煤灰通过与化学表面改性剂的混合、搅拌、烘干、碾碎等过程，将粉煤灰的松脆多孔结构以及一些粘连体、薄壁空心微珠、碳粒等进行打散，成为较密实的细屑颗粒和个体徽珠，改善微珠表面结构，使得改性后的粉煤灰具有了物理吸附和化学混凝双重作用，并使之吸附能力和混凝作用增强。然而，上述粉煤灰改性方法大多局限于粉煤灰颗粒外表面的活化，未对粉煤灰颗粒内部进行有效的激活，因此，如果能利用一定的物理方法同时对粉煤灰的内部及外部实施改造，使得改性后的粉煤灰结构和组成发生有效改变，将有助于提高粉煤灰的吸附性能，进而提高其吸附容量。
[0004]因此仍旧需要一种全新的方法，同时对粉煤灰的内部及外部实施改造，使得改性后的粉煤灰结构和组成发生有效改变，提高粉煤灰的吸附性能，进而提高其吸附容量。本发明的发明人通过实验研究发现，离子束辐照粉煤灰能将较规则的粉煤灰球形颗粒被击破，使其内部空间被充分地释放，比表面积增大，从而完成了本发明。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种新的采用低能粒子改性粉煤灰的方法，利用该粒子辐照的物理方法同时对粉煤灰的内部及外部实施改造，使得改性后的粉煤灰结构和组成发生有效改变，提高粉煤灰的吸附性能，进而提高其吸附容量。
[0006]为实现以上本发明的目的，本发明采用如下的技术方案:
[0007]—种采用低能粒子改性粉煤灰的方法，其特征在于包括通过以较低能量、一定剂量的离子束辐照粉煤灰颗粒，并持续一定的时间，得到改性粉煤灰的步骤。[0008]其中，所述粉煤灰颗粒为珠状颗粒或渣状颗粒，且所述辐照是在粉煤灰运动条件下进行；进一步地，所述珠状颗粒为空心玻珠(漂珠)、厚壁、实心微珠、铁珠、炭粒、不规则玻璃体或多孔玻璃体。
[0009]其中，所述较低能量选自5?50keV，优选地，所述较低能量选自10?14keV。
[0010]其中，所述一定剂量选自600X2.0X 1013ions / cm2 ?1100X2.0X 1013ions /cm2 ;优选地，所述一定剂量选自 900X2.0X 1013ions / cm2 ?1100X2.0X 1013ions / cm2。
[0011]其中，所述离子束为氮离子束、氦离子束、氩离子束；优选地，所述离子束为氮离子束。
[0012]其中，所述辐照时间为粉煤灰运动条件下10?15分钟。
[0013]根据本发明的采用低能粒子改性粉煤灰的方法，能同时对粉煤灰的内部及外部实施改造，使得改性后的粉煤灰结构和组成发生有效改变，提高粉煤灰的吸附性能，进而提高其吸附容量。
[0014]根据本发明的采用低能粒子改性粉煤灰的方法，用较低能量、一定剂量的氮离子束辐照粉煤灰中空心玻珠(漂珠)、厚壁及实心微珠(沉珠)、铁珠(磁珠)、炭粒、不规则玻璃体和多孔玻璃体等，通过离子束的刻蚀可以提高粉煤灰的活性。这是因为离子束辐照中许多较规则的粉煤灰球形颗粒被击破，内部空间被释放，比表面积增大；一些颗粒则在表面凹陷、缩松。因此，离子束对粉煤灰的玻璃体破坏，玻璃颗粒粘结的解除，使其表面特性改善，物理活性提高；而且，多孔颗粒粘结的破坏使玻璃体表面坚固的保护膜破裂，使其内部SiO2, Al2O3断键加剧，活化组分增加，从而提高粉煤灰化学活性。
[0015]根据本发明的采用低能粒子改性粉煤灰的方法，通过离子束辐照的物理改性方法，操作简单，且无需使用酸或碱，环境友好，改进后的粉煤灰吸附性能大大提升。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为本发明实施例中离子束刻蚀前后粉煤灰的SEM谱图，其中(a)为未经刻蚀的粉煤灰；(b)为刻蚀后的粉煤灰。
【具体实施方式】
[0017]下面结合更具体的实施方式对本发明做进一步展开说明，但需要指出的是，本发明的采用低能粒子改性粉煤灰的方法并不限于这种具体的辐照条件。对于本领域技术人员显然可以理解的是，以下的说明内容即使不做任何调整或修正，也可以直接适用于在此未指明的其他辐照条件。
[0018]一种采用低能粒子改性粉煤灰的方法，通过以较低能量、一定剂量的离子束辐照粉煤灰颗粒，并持续辐照一定的时间，得到改性的粉煤灰。在具体的实施方案中，辐照是在粉煤灰运动的条件下进行。其中，离子束由离子发生器产生。离子束的形成机制和装置均可参考现有技术，本发明的创新在于选用不同的离子束对粉煤灰进行辐照改性。并通过选用不同种类、能量和剂量的离子分别辐照处理粉煤灰。统计分析离子束作用于粉煤灰产生的形貌、粒径分布、比表面积、组成以及有效化学成分(Si02、Al2OyFe2O3等)溶出断键等参数的变化，确定对粉煤灰的最优离子束改性条件。
[0019]改性后的粉煤灰通过对废水中无机离子Zn2+、Cr3+、Cu2+、pb2+去除率试验测试其吸附性能，具体的测试及表征方法如下。
[0020]用改性好的粉煤灰分别处理含无机离子Zn2+、Cr3+、Cu2+、pb2+的废水:在烧杯中加入2g粉煤灰，再加入IOg废水，使粉煤灰与废水质量比为1: 5，室温下搅拌30min，然后过滤得到清液，用滴定法计算出残留离子，即可得离子的去除率。按上述的检测方法对不同离子吸附的结果进行检测。
[0021](I)Zn2+的检测:取上述得到的清液在300mL烧杯中加水稀释到IOOmL,加氨水至pH=8，加IOmL氨-氯化铵缓冲液(pH=10)，加3滴铬黑T指示剂(5g / L)滴定至纯蓝。根据所用EDTA (c=0.01mol / L)标准溶液体积可计算出Zn2+浓度，即可得Zn2+总量，在根据起始总量计算去除率。
[0022]⑵Cr3+的检测:取上述得到的含Cr3+清液在250mL碘量瓶中加水稀释到25mL，加2g碘化钾及20mL硫酸溶液(c=2mol / L),在暗处放置IOmin,加IOOmL水,用标准硫代硫酸钠溶液(c=0.005mol / L)滴定，近终点加2mL淀粉指示液(10g / L)滴定至亮绿色。根据所用标准硫代硫酸钠溶液体积可计算出Cr3+浓度，即可得Cr3+总量，在根据起始总量计算去除率。
[0023](3) Cu2+的检测:取上述得到的清液在300mL锥形瓶中加水稀释到150mL，加1.5mL氨-氯化铵缓冲液(pH=10),加0.2g紫脲酸铵混合指示剂,用EDTA (c=0.01mol / L)标准溶液标定，滴定至玫瑰红色。根据所用EDTA标准溶液体积可计算出Cu2+浓度，即可得Cu2+总量，在根据起始总量计算去除率。
[0024](4)pb2+的检测:取上述得到的清液加水稀释到IOOmL,加5g六次甲基四胺，2滴二甲酚橙指示剂(5g / L)，用EDTA(c=0.01mol / L)标准溶液滴定至亮黄色。根据所用EDTA标准溶液体积可计算出Pb2+浓度，即可得pb2+总量，在根据起始总量计算去除率。
[0025]下面将通过更具体的实施例解释说明本发明的改性方法，但其不对本发明构成任何限制。
[0026]实施例1
[0027]采用121^的能量、1000\2.0父1013丨0118 / cm2剂量的氮离子束，辐照时间在粉煤灰运动(翻动)条件下10分钟，得到的改性粉煤灰经SEM分析比对，如图1所示。与未离子束辐照改性的粉煤灰相比，可以发现许多较规则的粉煤灰球形颗粒被击破，内部空间被释放。通过前述方法测试改性后的粉煤灰吸附性能，废水中无机离子Cu2+、Zn2+、pb2+、Cr3+去除率分别达到 92.01%,92.44%,91.84%,93.73%。
[0028]对比例I
[0029]通过平行试验，测试未改性的粉煤灰吸附性能，废水中无机离子Cu2+、Zn2+、pb2+、Cr3+去除率分别达到 74.08%,70.02%,68.54%,78.05%。
[0030]对比例2
[0031]通过常规酸改性的粉煤灰，测试其吸附性能，废水中无机离子Cu2+、Zn2+、pb2+、Cr3+去除率分别达到 84.07%,82.42%,79.84%,88.03%。
[0032]实施例2
[0033]采用IOkeV的能量、 900X2.0X 1013ions / cm2剂量的氮离子束，辐照时间在粉煤灰运动(翻动)条件下10分钟，得到改性粉煤灰。通过前述方法测试改性后的粉煤灰吸附性能，废水中无机离子Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cr3+去除率分别达到78.03%,73.11%,71.35%,79.91%。
[0034]实施例3
[0035]采用101^的能量、1000\2.0父1013丨0118 / cm2剂量的氮离子束，辐照时间在粉煤灰运动(翻动)条件下10分钟，得到的改性粉煤灰。通过前述方法测试改性后的粉煤灰吸附性能，废水中无机离子Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cr3+去除率分别达到83.11%,82.20%,80.73%,87.62%。
[0036]实施例4
[0037]采用101^的能量、1100\2.0父101310118 / cm2剂量的氮离子束，辐照时间在粉煤灰运动(翻动)条件下10分钟，得到的改性粉煤灰。通过前述方法测试改性后的粉煤灰吸附性能，废水中无机离子Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cr3+去除率分别达到86.41%,83.14%,82.60%,90.17%。
[0038]实施例5
[0039]采用121^的能量、1000\2.0父1013丨0118 / cm2剂量的氮离子束，辐照时间在粉煤灰运动(翻动)条件下10分钟，得到的改性粉煤灰。通过前述方法测试改性后的粉煤灰吸附性能，废水中无机离子Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cr3+去除率分别达到92.01%,92.44%,91.84%,93.73%。
[0040]实施例6
[0041]采用12keV的能量、1100X2.0X1013ions / cm2剂量的氮离子束，辐照时间在粉煤灰运动(翻动)条件下10分钟，得到的改性粉煤灰。通过前述方法测试改性后的粉煤灰吸附性能，废水中无机离子Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cr3+去除率分别达到92.04%,92.94%,91.33%,93.29%。
`[0042]实施例7
[0043]采用141^的能量、1000\2.0父1013丨0118 / cm2剂量的氮离子束，辐照时间在粉煤灰运动(翻动)条件下10分钟，得到的改性粉煤灰。通过前述方法测试改性后的粉煤灰吸附性能，废水中无机离子Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cr3+去除率分别达到92.10%,92.47%,91.30%,92.08%。
[0044]实施例8
[0045]采用141?^的能量、1100\2.0\1013丨0118 / cm2剂量的氮离子束，辐照时间在粉煤灰运动(翻动)条件下10分钟，得到的改性粉煤灰。通过前述方法测试改性后的粉煤灰吸附性能，废水中无机离子Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cr3+去除率分别达到92.07%,92.39%,91.80%,92.47%。
[0046]上述交叉试验中，辐照时间统一为10分钟(试验中足够)，但不限于此，适当延长辐照时间也可以得到相同或更好的改性效果，例如辐照时间为10~15分钟。初选出 10keV、12keV、14keV 的能量和 900X2.0X 1013ions / cm2、1000X2.0X 1013ions /cm2、1100X2.0X1013ions / cm2剂量，交叉试验中逐步退化掉IOkeV和14keV的能量及900X2.0 X1013ions / cm2 和 1100 X 2.0 X 1013ions / cm2 剂量，最终优化出参数:辐照时间10分钟，12keV的能量和1000X2.0X1013ions / cm2剂量的氮离子。
[0047]尽管上文对本发明的【具体实施方式】给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种采用低能粒子改性粉煤灰的方法，其特征在于包括通过以较低能量、一定剂量的离子束辐照粉煤灰颗粒，并持续一定的时间，得到改性粉煤灰的步骤。
2.根据权利要求1所述的采用低能粒子改性粉煤灰的方法，其特征在于所述粉煤灰颗粒为珠状颗粒或渣状颗粒，且所述辐照是在粉煤灰运动条件下进行。
3.根据权利要求2所述的采用低能粒子改性粉煤灰的方法，其特征在于所述珠状颗粒为空心玻珠、厚壁、实心微珠、铁珠、炭粒、不规则玻璃体或多孔玻璃体。
4.根据权利要求1或3所述的采用低能粒子改性粉煤灰的方法，其特征在于所述较低能量选自5?50keVo
5.根据权利要求4所述的采用低能粒子改性粉煤灰的方法，其特征在于所述较低能量选自10?14keV0
6.根据权利要求1或3所述的采用低能粒子改性粉煤灰的方法，其特征在于所述一定剂量选自 600X2.0X 1013ions / cm2 ?1100X2.0X 1013ions / cm2。
7.根据权利要求6所述的采用低能粒子改性粉煤灰的方法，其特征在于所述一定剂量选自 900X2.0X 1013ions / cm2 ?1100X2.0X 1013ions / cm2。
8.根据权利要求1或3所述的采用低能粒子改性粉煤灰的方法，其特征在于所述离子束为氮离子束、氦离子束、氩离子束。
9.根据权利要求8所述的采用低能粒子改性粉煤灰的方法，其特征在于所述离子束为氮离子束。
10.根据权利要求1或3所述的采用低能粒子改性粉煤灰的方法，其特征在于所述辐照时间为粉煤灰运动条件下10?15分钟。
【文档编号】B01J20/30GK103816871SQ201410070094
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年2月28日 优先权日:2014年2月28日
【发明者】吴从兵, 万义周 申请人:吴从兵, 万义周