一种轻质复合污水处理材料及其制备方法与流程

本发明涉及污水处理材料制备，具体涉及一种轻质复合污水处理材料及其制备方法。

背景技术：

1、污水处理为使污水达到排入某一水体或再次使用的水质要求对其进行净化的过程。污水处理材料是指在污水处理过程中，能够用于去除污水中的有机物、重金属和其它难以去除的杂质的材料。目前常用的污水处理材料有陶瓷滤料、纤维滤料、吸附树脂、活性炭、硅藻土、沸石等，在进行污水处理时，污水处理材料主要通过物理吸附的方式去除污水中的杂质。

2、随着国家对环境保护的重视程度不断提升，对污水处理材料的要求也越来越高，单一污水处理材料的性能有限，存在吸附容量小、机械强度低、吸附平衡浓度高的问题，导致越来越多的污水处理企业选择使用复合污水处理材料进行污水处理。

3、复合污水处理材料为将两种或两种以上的材料组合而成的污水处理材料，现有的复合污水处理材料的制备方法一般是在通过浸渍或原位合成的方法在单一的污水处理材料表面包覆其他污水处理材料组成的多孔层，或者将单一的污水处理材料填充于其他多孔污水处理材料的孔隙中，从而使多种污水处理材料在性能上取长补短。与单一的污水处理材料相比，复合污水处理材料的吸附容量更大，机械强度更高，吸附平衡浓度更低的优点。

4、但是按照上述方法制备的复合污水处理材料具有以下缺点：不同污水处理材料的热膨胀系数不同，导致制备的复合污水处理材料在高温下易开裂，从而影响了复合污水处理材料的耐高温性；在对单一的污水处理材料进行表面包覆时，可能会导致单一的污水处理材料表面发生阻塞，从而导致孔隙率减小，而将单一的污水处理材料填充于其他多孔污水处理材料的孔隙中时，可能会导致其他多孔污水处理材料内部孔隙发生堵塞，从而导致孔隙率减小，孔隙率减小会导致复合污水处理材料的密度变大，质量变重，不利于运输和使用；复合污水处理材料的颗粒较大，导致孔隙扩散速度慢，从而影响了复合污水处理材料的吸附速度。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种轻质复合污水处理材料及其制备方法，制备的轻质复合污水处理材料的吸附容量大，机械强度高，吸附平衡浓度低，且耐高温性好，质量轻，吸附速度快。

2、为解决以上技术问题，本发明采取的技术方案如下：

3、一种轻质复合污水处理材料的制备方法，由以下步骤组成：制备复合晶须，制备陶粒，制备插层蒙脱土，一次表面改性，二次表面改性；

4、所述制备复合晶须，由以下步骤组成：制备氧化镁晶须，包覆；

5、所述制备氧化镁晶须，将氯化镁水溶液加入三口烧瓶中，搅拌速度控制至100-200rpm，在室温下搅拌5-10min，加入无水乙醇，搅拌20-40min，滴加碳酸钠水溶液，滴加结束后继续搅拌20-30min，陈化10-12h，过滤，使用水清洗滤渣2-3次，使用无水乙醇清洗滤渣2-3次，在80-90℃下干燥3-4h，将干燥后的滤渣在400-450℃下高温处理1-1.5h，以4-6℃/min的升温速度升温至800-850℃，在800-850℃下高温处理3-3.5h，得到氧化镁晶须；

6、所述制备氧化镁晶须中，氯化镁水溶液、无水乙醇、碳酸钠水溶液的体积比为500-550:120-140:500-550；

7、氯化镁水溶液的质量浓度为4.8-5%；

8、碳酸钠水溶液的质量浓度为10.6-11%；

9、所述碳酸钠水溶液的滴加速度为8-10ml/min；

10、所述包覆，将氧化镁晶须、海藻酸钠水溶液加入三口烧瓶中，搅拌速度控制至300-400rpm，在室温下搅拌30-40min，倒出，得到混合液；将氯化钙水溶液加入三口烧瓶中，搅拌速度控制至300-400rpm，在室温下向三口烧瓶中滴加混合液，滴加结束后继续搅拌2-3h，过滤，使用水清洗滤渣3-4次，在110-130℃下干燥5-6h，得到复合晶须；

11、所述包覆中，氧化镁晶须、海藻酸钠水溶液、氯化钙水溶液的质量体积比为20-25g:2000-2200ml:1500-2000ml；

12、所述海藻酸钠水溶液的质量浓度为0.8-1%；

13、所述氯化钙水溶液的质量浓度为1.5-2%；

14、所述混合液的滴加速度为18-20ml/min；

15、所述制备陶粒，将电气石粉、粉煤灰、高岭土、硅藻土混合均匀后在110-130℃下干燥3-4h后，粉碎至粒径为30-50μm，然后与复合晶须、聚乙烯醇2488、阳离子聚丙烯酰胺共同加入烧杯中搅拌，控制搅拌机的转速为200-300rpm，搅拌过程中向搅拌机内喷淋水，喷淋结束后继续搅拌40-60min，得到混合浆；将混合浆加入造粒机进行造粒，控制造粒直径为2-3mm，得到生球，将生球在100-120℃下干燥3-3.5h，在1200-1250℃下高温处理15-18min，得到陶粒；

16、所述制备陶粒中，电气石粉、粉煤灰、高岭土、硅藻土、复合晶须、聚乙烯醇2488、阳离子聚丙烯酰胺、水的质量体积比为220-250g:300-350g:150-180g:280-320g:40-60g:10-12g:4-5g:200-300ml；

17、所述阳离子聚丙烯酰胺的分子量为1200万，离子度为30%；

18、所述水的喷淋速度为10-12ml/min；

19、所述制备插层蒙脱土，将钠基蒙脱土、水加入三口烧瓶中，将三口烧瓶的温度控制至55-65℃，搅拌速度控制至100-200rpm，搅拌1-1.5h，向三口烧瓶中滴加壳聚糖的醋酸水溶液，滴加结束后继续搅拌7-8h，真空抽滤，将滤渣置于50-60℃下干燥9-10h，得到插层蒙脱土；

20、所述制备插层蒙脱土中，钠基蒙脱土、水、壳聚糖的醋酸水溶液的质量体积比为10-15g:1000-1200ml:300-350ml；

21、所述钠基蒙脱土的阳离子交换容量80mmol/100g，粒径为50μm；

22、所述壳聚糖的醋酸水溶液的滴加速度为10-15ml/min；

23、所述壳聚糖的醋酸水溶液的制备方法为，将无水乙酸、水加入三口烧瓶中，搅拌速度控制至100-200rpm，在室温下搅拌10-20min，加入壳聚糖，继续搅拌20-30min，静置50-60min，得到壳聚糖的醋酸水溶液；

24、所述壳聚糖的醋酸水溶液的制备中，无水乙酸、水、壳聚糖的质量体积比为15-18ml:1000-1300ml:10-12g；

25、所述壳聚糖的分子量为20万，脱乙酰度为95%；

26、所述一次表面改性，将陶粒、插层蒙脱土、壳聚糖的醋酸水溶液、水加入烧杯中，在室温下以50-100rpm的搅拌速度搅拌20-30min，加入碳酸钙、戊二醛水溶液，继续搅拌1-1.5h，加入氢氧化钠水溶液调节ph至9-9.5，加热至60-65℃，搅拌3-4h，过滤，使用无水乙醇清洗滤渣3-4次后，将清洗后的滤渣与盐酸水溶液加入烧杯中，在室温下以50-100rpm的搅拌速度搅拌5-10min，过滤，使用去离子水清洗滤渣3-4次，在80-90℃下干燥7-9h，得到一次表面改性的陶粒；

27、所述一次表面改性中，陶粒、插层蒙脱土、壳聚糖的醋酸水溶液、水、碳酸钙、戊二醛水溶液、盐酸水溶液的质量体积比为150-180g:30-35g:1000-1200ml:1800-2000ml:5-6g:25-30ml:1400-1500ml；

28、所述戊二醛水溶液的质量浓度为25%；

29、所述氢氧化钠水溶液的质量浓度为4%；

30、所述盐酸水溶液的质量浓度为3%；

31、所述壳聚糖的醋酸水溶液的制备方法为，将无水乙酸、水加入三口烧瓶中，搅拌速度控制至100-200rpm，在室温下搅拌10-20min，加入壳聚糖，继续搅拌20-30min，静置50-60min，得到壳聚糖的醋酸水溶液；

32、所述壳聚糖的醋酸水溶液的制备中，无水乙酸、水、壳聚糖的质量体积比为15-18ml:1000-1300ml:14-15g；

33、所述壳聚糖的分子量为80万，脱乙酰度为95%；

34、所述碳酸钙的粒径为5μm；

35、所述二次表面改性，将一次表面改性的陶粒、水加入烧杯中，在室温下以50-100rpm的搅拌速度搅拌5-10min，加入l-赖氨酸、二环己基碳二亚胺，搅拌30-40min，过滤，使用去离子水清洗滤渣3-4次，在80-90℃下干燥7-9h，得到轻质复合污水处理材料；

36、所述二次表面改性中，一次表面改性的陶粒、水、l-赖氨酸、二环己基碳二亚胺的质量体积比为100-120g:2000-2500ml:20-25g:28-35g。

37、一种由前述的制备方法制备得到的轻质复合污水处理材料。

38、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

39、（1）本发明的轻质复合污水处理材料的制备方法，在制备陶粒中加入了复合晶须，复合晶须为在氧化镁晶须表面包覆海藻酸钙，复合晶须在制备陶粒的高温处理中，海藻酸钙热分解为氧化钙，在氧化镁晶须表面形成疏松的氧化钙层，氧化镁晶须和氧化钙层能够协同陶粒的其他成分对污水中的重金属和有机物进行吸附，在热分解过程中还能够在氧化镁晶须表面形成气孔，提高了陶粒的气孔率，从而提高了复合污水处理材料的吸附容量、吸附速度，降低了复合污水处理材料的质量、吸附平衡浓度，同时，氧化镁晶须还能够起到增韧和补强的作用，从而提高了复合污水处理材料的机械强度和耐高温性；在一次表面改性中加入插层蒙脱土，插层蒙脱土为相对低分子壳聚糖插层蒙脱土，在一次表面改性中与相对高分子壳聚糖、戊二醛进行交联，同时加入碳酸钙进行致孔，然后在碱性条件下对壳聚糖进行固化后，在盐酸水溶液中去除碳酸钙，得到弹性大孔壳聚糖包覆层，在二次表面改性中，使用l-赖氨酸与弹性大孔壳聚糖包覆层中的氨基反应，进一步对弹性大孔壳聚糖包覆层进行交联，得到双重交联的弹性大孔壳聚糖包覆层，在相对高分子壳聚糖与插层蒙脱土进行交联时，会与插层蒙脱土的层间和表面的相对低分子壳聚糖交联，插层蒙脱土层间的壳聚糖也会发生交联，能够对交联后的壳聚糖起到了固定作用，插层蒙脱土的粒径大于陶粒的孔径，从而避免壳聚糖渗入陶粒的孔隙内发生交联，堵塞了陶粒的孔隙或增加了陶粒的密度，插层蒙脱土能够为双重交联的弹性大孔壳聚糖包覆层提供交联点和固定点，能够利用与陶粒之间的范德华力，提高包覆层与陶粒之间的结合强度，还能够通过交联壳聚糖提高蒙脱土的层间距，进一步提高插层蒙脱土的吸附性和为污水中的离子提供进入陶粒的通道，从而提高了制备的轻质复合污水处理材料的吸附容量、耐高温性、吸附速度，降低吸附平衡浓度；

40、（2）本发明的轻质复合污水处理材料的制备方法，制备的轻质复合污水处理材料的吸附容量大，对铬离子的吸附容量能达到33.4-35.2mg/g，对铜离子的吸附容量能达到24.8-26.5mg/g；

41、（3）本发明的轻质复合污水处理材料的制备方法，制备的轻质复合污水处理材料的机械强度高，52mpa破碎率能够降低至4.8-5.2%；

42、（4）本发明的轻质复合污水处理材料的制备方法，制备的轻质复合污水处理材料的吸附平衡浓度低，对铬离子的吸附平衡浓度能够降低至0.02-0.03mg/g，对铜离子的吸附平衡浓度能够降低至0.20-0.26mg/g；

43、（5）本发明的轻质复合污水处理材料的制备方法，制备的轻质复合污水处理材料的耐高温性好，将制备的轻质复合污水处理材料在60℃的环境中放置1d，然后立刻转移至室温下，在室温下放置1d后，表面不开裂；

44、（6）本发明的轻质复合污水处理材料的制备方法，制备的轻质复合污水处理材料的质量轻，制备的轻质复合污水处理材料的体积密度为1.26-1.31g/cm3；

45、（7）本发明的轻质复合污水处理材料的制备方法，制备的轻质复合污水处理材料吸附速度快，在吸附铬离子时达到吸附平衡需要的时间为40-50min，在吸附铜离子时达到吸附平衡需要的时间为50-60min。