專利名稱：凹凸棒石粘土-氫氧化鋁/鐵納米復合吸附劑、其制備方法及應用的制作方法
技術領域：
本發明涉及吸附劑，更具體地說是涉及一種以凹凸棒石為載體的吸附劑、其制備及其在 處理水中低濃度磷、砷、氟中的應用。
背景技術：
近年來，水體中磷的含量急劇上升，過量的磷一方面來自工業廢水和生活污水的面源污 染；另一方面還有其內源作用，即水體中的底泥在還原狀態下會釋放磷酸鹽，從而增加磷的 含量。磷的富營養化主要發生在湖泊、水庫、海灣、平原河溝和溝渠、城市河流、城市景觀 水體等自凈能力較差水域。近年來，渤海地區連續發生的赤潮是與海水中磷、氮營養性物質 含量較高有直接關系。有關單位的研究結果表明，我國一些城市湖泊、水庫都已達到中等營 養化及重富營養化水平。富營養化污染已成為目前世界各國所共同面臨的重大環境問題。目前我國污水處理率不高，大多數污水處理廠不具備經濟有效的除磷工藝和方法，尤其 是對低濃度的含磷廢水。常用的廢水除磷的方法有生物法，化學法和吸附法。生物法除磷出水磷酸鹽磷濃度一般 在0.5mg/L以上，大大高于地面水體磷濃度標準。化學法除磷需要與生物處理結合，否則形 成的磷酸鹽沉淀很難從水中沉淀分離出來。吸附法除磷是利用吸附劑提供的大比表面積，通 過磷在吸附劑表面的吸附、離子交換或表面沉淀過程，實現磷酸鹽從廢水中的分離。吸附法 除磷工藝簡單，運行可靠，可以作為生物法除磷的必要補充，也可以作為單獨的除磷手段。 但目前所用的工業吸附劑對磷的吸附選擇性低、吸附容量小，導致處理成本高。對于高砷、高氟地下水在我國農村和中小城鎮飲用水中存在的嚴重問題，我國將在11.5 期間著力解決。高效的除砷和氟吸附劑材料和水處理方法是國家迫切需要的技術。國內外都 有利用礦物作為載體，附著稀土、鋁、鐵氫氧化物作為活性組分，吸附處理高砷、高氟地下 水的報道，例如以沸石、河沙作為載體，經稀土、鋁、鐵鹽等活化處理，吸附處理高砷、高 氟地下水。但是，這些礦物材料的比表面積低，吸附效果不夠理想。發明內容本發明是為避免上述現有技術所存在的不足之處，提供一種高比表面積、高吸附容量、 低成本的凹凸棒石粘土-氫氧化鋁/鐵納米復合材料，以其作為吸附劑，用于處理水中低濃度 磷、砷、氟。本發明同時提供吸附劑的制備方法及其在用于處理水中低濃度磷、砷、氟的方法。本發明解決技術問題采用如下技術方案本發明凹凸棒石粘土-氫氧化鋁/鐵納米復合吸附劑的特點是通過納米復合，在凹凸棒石 礦物表面負載鋁氫氧化物或負載鋁和鐵氫氧化物混合物，按重量百分比，鋁氫氧化物或鋁和 鐵氫氧化物混合物在復合吸附劑中的含量為5-50%;所述鋁和鐵氫氧化物混合物中鋁氫氧化 物的含量不小于鐵氫氧化物。本發明復合吸附劑的特點也在于所述凹凸棒石粘土中按重量百分比含有凹凸棒石50-80%，白云石10-30%，石英和長 石雜質含量不大于10%。形成復合在凹凸棒石表面的鋁氫氧化物和鐵氫氧化物所使用的鋁、鐵化合物為易溶化合物， 所述易溶化合物為鋁和鐵的硫酸鹽、硝酸鹽、氯化物鹽，以及聚合鐵和聚合鋁中的一種或幾種。本發明凹凸棒石粘土-氫氧化鋁/鐵納米復合吸附劑的制備方法，其特點是按如下步驟操作a、 選擇凹凸棒石含量不小于50%的凹凸棒石粘土礦石，預先堆存、均化；b、 向凹凸棒石粘土原料中加水，調節凹凸棒石粘土與水的質量體積比為2 ~3g/ mL，經剪切擠壓成為凹凸棒石粘土片狀物；c、 所述凹凸棒石粘土片狀物干燥后粉碎成為通過200目篩的凹凸棒石粘土粉體；d、 將10g凹凸棒石粉體加入lOOmL水中，攪拌致凹凸棒石粘土成均勻的漿狀，加入5~10g AlCb和0 4gFeCl3，持續攪拌到鋁離子和鐵離子水解完全，至無氣泡產生，脫水成泥餅狀， 得到吸附劑。本發明制備方法的特點也在于所得吸附劑經進一步干燥、粉碎得到粉狀吸附劑；對于所述粉狀吸附劑進一步造粒、干 燥得到吸附劑顆粒。所述干燥溫度不高于8(TC。本發明凹凸棒石粘土-氫氧化鋁/鐵納米復合吸附劑用于水處理的方法的特點是將所述 吸附劑配成懸浮液直接投加到被處理水體中，或將吸附劑顆粒裝填成為固定床吸附柱置。所 述被處理水體中可溶性磷的濃度小于5mg/L時，或水中砷濃度小于0. lmg/L,或氟濃度小于 2mg/L時，每100ml被處理水吸附劑用量不大于0. lg。本發明復合吸附劑用于水處理方法的特點也在于所述被處理水為生活污水處理廠出 水、湖水、河流水或景觀水，或高氟、或高砷的地下水。與已有技術相比，本發明有益效果體現在1、凹凸棒石是直徑為40納米、長度在1微米左右的天然一維納米礦物材料。凹凸棒石 作為載體材料不僅具有很高的比表面積和吸附性能，而且由于棒狀晶體雜亂堆積可以構筑豐富的納米孔隙，有利于吸附過程的傳質，負載鋁、鐵氫氧化物后對磷、砷、氟的吸附屬于不 可逆化學吸附，吸附平衡后水中磷、砷、氟殘留濃度低，水處理效果好，吸附容量大，吸附 劑用量少，處理成本低。本發明通過實驗研究己經證明，將鋁氫氧化物或鋁、鐵氫氧化物混 合物負載到凹凸棒石表面，制備復合材料作為吸附劑對于低濃度磷、砷、氟具有很高的吸附 容量，去除效果好。2、 凹凸棒石粘土前期研究結果表明，凹凸棒石粘土中普遍含有一定量的白云石。其中 的白云石能夠和酸性的鋁鹽、鐵鹽發生中和反應，凹凸棒石也具有很強的酸中和緩沖能力， 因而凹凸棒石粘土具有誘導鋁鹽和鐵鹽水解的作用，促使鋁鹽、鐵鹽水解成為氫氧化物。并 且由于凹凸棒石表面帶有負電荷，鋁、鐵氫氧化物帶有正電荷，兩種正負電荷的膠體顆粒很 容易因靜電作用而實現納米復合。在進行凹凸棒石-鋁、鐵氫氧化物復合時，不需要外加酸、 堿，原材料消耗少，凹凸棒石粘土儲量豐富、價格低廉，吸附劑的生產成本低。3、 本發明在材料的制備過程中，首先對凹凸棒石粘土進行剪切擠壓，促使礦石中凹凸 棒石晶束解聚、分散，增大了凹凸棒石與鋁、鐵氫氧化物復合的均勻性，有效提高了材料的 比表面積和吸附性能。4、 本發明復合吸附劑具有一定自黏結性，可以制備成為顆粒材料，并具有一定的強度 和耐水性，可以滿足固定床吸附劑的要求。5、 本發明方法制備的吸附劑能有效凈化水中低濃度磷，達到II類地面水體標準；能 有效凈化水中低濃度砷和氟，達到飲用水的質量標準。以下通過具體實施方式
，結合附圖
對本發明作進一步說明具體實施方法實施例1:選擇凹凸棒石含量不小于50%的凹凸棒石粘土礦石，預先堆存、均化； 向堆存、均化后的凹凸棒石粘土原料中加水，調節凹凸棒石粘土與水的質量體積比為2 ~3g/ mL，經對輥擠壓機剪切擠壓成為凹凸棒石粘土片狀物；凹凸棒石粘土片狀物經過晾干，粉碎成為全部通過200目篩的粉體；將10克凹凸棒石粉末加入100mL的蒸餾水中，高速攪拌5-30分鐘，加入10g A1C13, 持續攪拌30分鐘，洗滌、脫水、在8(TC的溫度中干燥后粉碎得到粉狀復合吸附劑。取粉狀復合吸附劑0. lg投加到100ml含磷5mg/L的水溶液中，攪拌30分鐘完成吸附， 靜沉2小時后，測上清液中磷濃度，得到出水磷濃度小于0.02mg/L，磷去除率達99.6yo。實施例2:選擇凹凸棒石含量不小于50%的凹凸棒石粘土礦石，經過預先堆存、均化；向堆存、均化后的凹凸棒石粘土原料中加水，調節凹凸棒石粘土與水的質量體積比為2 ~3g/ mL，經對輥擠壓機剪切擠壓成為凹凸棒石粘土片狀物；凹凸棒石粘土片狀物經過晾干，粉碎成為全部通過200目篩的粉體；將10克凹凸棒石粉末加入100mL的蒸餾水中，高速攪拌5-30分鐘，加入5g AlCl3和 5g FeCl3持續攪拌30分鐘，洗滌、脫水、8(TC干燥、粉碎得到粉狀復合吸附劑。將粉狀復合吸附劑0. lg投加到100ml含磷5mg/L的水溶液中，攪拌30分鐘完成吸附， 靜沉2小時后，測上清液中磷濃度，得到出水磷濃度小于0.02mg/L，磷去除率達99.6yo。實施例3:選擇凹凸棒石含量不小于50%的凹凸棒石粘土礦石，經過預先堆存、均化；向堆存、均化后的凹凸棒石粘土原料中加水，調節凹凸棒石粘土與水的質量體積比為2~3g/ mL，經對輥擠壓機剪切擠壓成為凹凸棒石粘土片狀物；凹凸棒石粘土片狀物經過晾干，粉碎成為全部通過200目篩的粉體；將10克凹凸棒石粉末加入100mL的蒸餾水中，高速攪拌5-30分鐘，加入5g AlCh和5g FeCl3持續攪拌30分鐘，洗漆、脫水，造粒成為2-3mm的顆粒，8(TC干燥，得到顆粒狀吸附劑，顆粒強度〉25N。將顆粒狀復合吸附劑裝填為直徑2cm、高度50cm的實驗柱，用蠕動泵上升流以水力停留時間1小時輸入含磷5mg/L的水溶液，測出水中磷濃度，得到出水累計流量IOOL，磷濃度小于0. 02mg/L。 實施例4:選擇凹凸棒石含量不小于50%的凹凸棒石粘土礦石，經過預先堆存、均化；向堆存、均化后的凹凸棒石粘土原料中加水，調節凹凸棒石粘土與水的質量體積比為2~3g/ mL，經對輥擠壓機剪切擠壓成為凹凸棒石粘土片狀物；凹凸棒石粘土片狀物經過晾干，粉碎成為全部通過200目篩的粉體； 將10克凹凸棒石粉末加入100mL的蒸餾水中，高速攪拌5-30分鐘，加入5g聚合鋁和5g聚合鐵，持續攪拌30分鐘，洗滌、脫水、8(TC干燥、粉碎得到粉狀復合吸附劑。將粉狀復合吸附劑0.1g投加到100ml含氟5mg/L的水溶液中，攪拌30分鐘完成吸附，靜沉2小時后，測上清液中氟濃度，得到出水氟濃度小于1. Omg/L，處理后氟含量達到飲用水要求。將粉狀復合吸附劑0. lg投加到100ml含砷0. 5mg/L的水溶液中，攪拌30分鐘完成吸附， 靜沉2小時后，測上清液中砷濃度，處理后水中砷濃度小于0.01mg/L,達到飲用水要求。
權利要求
1、-種凹凸棒石粘土-氫氧化鋁/鐵納米復合吸附劑，其特征是通過納米復合，在凹凸棒石礦物表面負載鋁氫氧化物或負載鋁和鐵氫氧化物混合物，按重量百分比，鋁氫氧化物或鋁和鐵氫氧化物混合物在復合吸附劑中的含量為5-50％；所述鋁和鐵氫氧化物混合物中鋁氫氧化物的含量不小于鐵氫氧化物。
2、 根據權利要求1所述的凹凸棒石粘土-氫氧化鋁/鐵納米復合吸附劑，其特征是所述 凹凸棒石粘土中按重量百分比含有凹凸棒石50-80%，白云石10-30%，石英和長石雜質含 量不大于10%。
3、 根據權利要求1所述的凹凸棒石粘土-氫氧化鋁/鐵納米復合吸附劑，其特征是形成 復合在凹凸棒石表面的鋁氫氧化物和鐵氫氧化物所使用的鋁、鐵化合物為易溶化合物，所述 易溶化合物為鋁和鐵的硫酸鹽、硝酸鹽、氯化物鹽，以及聚合鐵和聚合鋁中的一種或幾種。
4、 一種凹凸棒石粘土-氫氧化鋁/鐵納米復合吸附劑的制備方法，其特征是按如下步驟 操作a、 選擇凹凸棒石含量不小于50%的凹凸棒石粘土礦石，預先堆存、均化；b、 向堆存、均化后的凹凸棒石粘土原料中加水，調節凹凸棒石粘土與水的質量體積比 為2 3g/ mL，經剪切擠壓成為凹凸棒石粘土片狀物；c、 所述凹凸棒石粘土片狀物干燥后粉碎成為通過200目篩的凹凸棒石粘土粉體；d、 將10g凹凸棒石粉體加入100niL水中，攪拌致凹凸棒石粘土成均勻的漿狀，加入5 10g AlCl3和0 5gFeCl3，持續攪拌到鋁離子和鐵離子水解完全，至無氣泡產生，脫水成泥餅狀， 得到吸附劑。
5、 根據權利要求3所述的制備方法，其特征是所得吸附劑經進一步干燥、粉碎得到粉 狀吸附劑；對于所述粉狀吸附劑進一步造粒、干燥得到吸附劑顆粒。
6、 根據權利要求4所述的制備方法，其特征是所述干燥溫度不高于8(TC。
7、 一種凹凸棒石粘土-氫氧化鋁/鐵納米復合吸附劑用于水處理的方法，其特征是將所 述吸附劑配成懸浮液直接投加到被處理水體中，或將吸附劑顆粒裝填成為固定床吸附柱置； 所述被處理水體中可溶性磷的濃度小于5mg/L時，或水中砷濃度小于0. 5mg/L,或氟濃度小 于5mg/L時，每100ml被處理水吸附劑用量不大于0. lg。
8、 根據權利要求6所述的凹凸棒石粘土-氫氧化鋁/鐵納米復合吸附劑用于水處理的方 法，其特征是所述被處理水為生活污水處理廠出水、湖水、河流水或景觀水，或高氟、或高 砷的地下水。
全文摘要
凹凸棒石粘土-氫氧化鋁/鐵納米復合吸附劑、其制備方法及應用，其特征是通過納米復合，在凹凸棒石礦物表面負載鋁氫氧化物或負載鋁和鐵氫氧化物混合物，按重量百分比，鋁氫氧化物或鋁和鐵氫氧化物混合物在吸附劑中的含量為5-50％；鋁和鐵氫氧化物混合物中鋁氫氧化物的含量不小于鐵氫氧化物。本發明復合吸附劑對水中磷、As、F具有高吸附容量，可以用于生活污水處理廠排水的深度處理除磷、富營養化水體除磷、高砷或高氟地下水的處理。
文檔編號B01J20/30GK101249417SQ200810020199
公開日2008年8月27日 申請日期2008年3月28日 優先權日2008年3月28日
發明者周本軍, 孫玉兵, 敏 潘, 謝晶晶, 陳天虎 申請人:合肥工業大學