一种高效水净化材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种新型高效水净化材料及其制备方法，该方法包括石墨烯孔洞的构造，多级次孔状结构陶瓷基体颗粒的制备，及在陶瓷基体颗粒上制备氧化物纳米颗粒等步骤。本方法制备的水净化材料利用多级次孔状陶瓷基体、基体中的氧化物纳米颗粒和石墨烯的协同效应，通过物理吸附和化学反应协同作用，去除水中的重金属离子，并形成相对稳定结构。该材料空隙率高，比表面积大，吸附能力强，几乎可完全去除水中镍、铅、砷、汞、锰、镉、铬等多种有害重金属，是一种高效、环保、低成本的水净化材料，可用于水体净化处理。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于重金属水净化
，涉及一种新型高效滤除水中镍、铬、砷等重金属净化材料的制备方法，尤其涉及一种用于工业废水处理的新型高效水净化材料及其制备方法。
技术介绍
在环境与人类健康领域，重金属主要指汞(Hg)、镉(Cd)、铅(Pb)、铬(Cr)、砷(As)、锰(Mn)铜(Cu)、锌(Zn)、钴(Co)、镍(Ni)等重金属。随着我国经济、社会发展，水资源短缺、水污染问题日趋严重。重金属是水环境中的主要污染物之一，有关统计表明，我国金属废水约占废水排放总量的10％，主要来自电镀、线路板、采矿、冶金、化工等工业，具有潜在的危害性，特别是汞、镉、铅、铬等重金属具有显著的生物毒性，微量浓度即可产生毒性，在微生物作用下会转化为毒性更强的有机金属化合物(如甲基汞)，或被生物富集通过食物链进入人体，造成慢性中毒。重金属废水毒性大，在环境中不易被代谢，且修复困难。因此，积极开展重金属废水处理及回用新技术研究，有效去除并回收废水中重金属资源已经势在必行。重金属废水传统处理方法主要有化学沉淀法、离子交换法、溶剂萃取法、电解法、吸附法、生物法等。其中化学沉淀法为国内外金属废水处理常用的方法，化学沉淀法是向含重金属的废水中加入碱、混凝剂、PAM等药剂，反应生成不溶于水的氢氧化物絮体颗粒，经过沉淀从废水中去除。中国专利技术CN105253971A提供了一种不借助混凝剂和助凝剂来加速沉淀的方法。该方法利用沉淀物本身或者一些其他的惰性物质(如石英砂等)来加速硫化物的沉淀速度，来解决硫化物沉淀难以被沉淀掉的缺点。化学混凝沉淀法产生的污泥量大，成份复杂，难以利用，多采用填埋处置，实际上重金属对环境的危害依然长期存在，一旦造成对地下水和地表水的严重污染，治理将要付出更加昂贵的代价。同时反应、沉淀等构筑物多，占地面积相对较大，运行成本较高；且污泥靠重力沉降，出水水质不易稳定达标。CN103274757B提供了一种高效滤除放射性碘和铯的功能陶瓷材料及其制备方法。该材料是以工业污泥和粘土为主料，配以活性炭或木屑、氢氧化钙或碳酸钙、铁粉或氧化铁粉及液体石蜡等辅料，通过混和、搅拌、造粒等过程，最终在缺氧或还原气氛中烧结得到多孔陶粒。该方法能高效去除放射性碘和铯，去除其他重金属离子的效率需要进一步提高。但是由于该方法造孔的尺寸有限多为微米级别的孔洞，陶粒的比表面积难以进一步提高。纳米材料比表面积大，因而在重金属离子吸附方面有很大优势。随着纳米技术的发展，各种纳米颗粒逐步应用到重金属离子的去除方面。CN104801280A提供了一种负载壳聚糖磁性纳米颗粒生物质炭吸附剂的制备方法，包括生物质炭的制备、壳聚糖-乙酸溶液的制备、铁溶液的制备、负载壳聚糖磁性纳米颗粒生物质炭的制备等步骤。该方法采用生物炭物理吸附，去除重金属离子的效率不高。CN100536983C公开了以石英砂或者沸石粒为基体，纳米铝(铁)氧化物或氢氧化物为改性过滤层，作为去除废水中重金属离子的水净化材料及其制备方法。该方法使用的基体材料对重金属离子去除能力差，同时纤维状的纳米颗粒对重金属离子的去除效果也不如球状纳米颗粒，因而重金属离子去除率有待提高。另外石墨烯作为一种比表面积极大的新型材料，在水体净化方面也具有明显的优势，不过由于石墨烯的价格较高，通长需要和其他传统材料复合，以提高其利用价值。通常将石墨烯和其他材料复合造粒很难将石墨烯暴露在气固界面处，大部分石墨烯会被掩埋在复合材料的固相中，无法发挥高比表面的吸附作用。例如：将石墨烯和膨润土、液体石蜡、污泥混合制备的多孔陶粒，大部分石墨烯将会被完全淹没在陶粒的固相中，而在陶粒多孔的气固界面处很难有石墨烯暴露，因此石墨烯的高比表面特性并不能有效的发挥吸附作用。因此，本领域亟待一种高效环保的重金属废水净化材料，既能高效去除水中的重金属离子，又不会对环境进行二次污染，同时简单操作、运行成本低。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的第一目的在于提供一种新型的高效滤除水中镍、铬、砷等重金属净化材料及其制备方法。该材料利用多级次孔状陶瓷基体、基体中的氧化物纳米颗粒以及高比表面的石墨烯三者的协同效应，通过物理吸附和化学反应同步作用，去除水中的重金属离子，并形成相对稳定结构。该材料通过物理吸附和化学反应固定重金属离子的原理去除重金属离子，去除效率更高。该材料孔隙率高，比表面积大，吸附能力强，能高效去除水中多种有害重金属。对铅、砷、汞、锰、镉、镍、铬等重金属的去除率达95％以上，其中汞的去除率可达99.9％。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种高效水净化材料，按重量份计，由包括如下组分的原料制备而成：60-80份工业污泥和粘土、8-16份氢氧化钙或碳酸钙、6-9份活性炭或木屑、5-8份氧化铁粉或铁粉、0.1～0.5份氯化铵、1～2份明胶、1～2份聚乙烯吡咯烷酮、1-5份复合浆料、1～7份液体石蜡；其中，所述复合浆料中包括1-3份氧化石墨烯，1-2份纳米碳酸钙，和500份的热乙醇。采用上述原料，能够制得理想的高效水净化材料。优选地，所述复合浆料中氧化石墨烯和纳米碳酸钙的质量比为1:1。二者采用1:1的用量能够确保复合浆料在后续造孔过程中能够保证石墨烯有效的暴露于孔洞处。本专利技术所述的工业污泥看泛指工业上产生的各类污泥废弃物，作为优选的技术方案，本专利技术所述工业污泥为污水处理厂的废弃污泥。此类污泥具有来源广泛、价格低廉等优点。优选地，本专利技术所述粘土为膨润土、活性白土或高岭土中的一种或多种。更为具体地，理想的选择如膨润土、活性白土、高岭土中的一种；或高岭土与膨润土的混合物，二者混合使用时，理想的用量比为1:2～2:3，此比例所铸造的陶瓷基体具有较高的强度。本专利技术所述的高效水净化材料，其中，所述工业污泥和粘土的重量比介于1：2和2：1之间，在上述用量范围下，有利于陶瓷基粒的成型。优选地，所述的铝盐为氯化铝、硫酸铝、硝酸铝等的一种或多种，更优选为硫酸铝、硝酸铝。作为更理想的技术方案，本专利技术所述的高效水净化材料，按重量份计，由包括如下组分的原料制备而成：70-80份工业污泥和粘土、8-12份氢氧化钙、6-9份木屑、5-8份铁粉、0.1～0.5份氯化铵、1～2份明胶、1～2份聚乙烯吡咯烷酮、1-2份复合浆料、1～3份液体石蜡；其中，所述复合浆料中包括1-3份氧化石墨烯，1-2份纳米碳酸钙，和500份的热乙醇；所述的工业污泥和粘土由质量比为3:5的污泥、粘土组成，所述粘土为高岭土与膨润土的混合物，其质量比为1:2。本专利技术同时提供了一种制备高效水净化材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：(1)将重量份为1-3份氧化石墨烯，1-2份纳米碳酸钙，放进500份的热乙醇中，并进行充分搅拌，纳米碳酸钙被氧化石墨烯吸附包裹，得到复合浆料；(2)将重量份为60-80份工业污泥和粘土，6-9份活性炭或木屑，8-16份氢氧化钙或碳酸钙，5-8份氧化铁粉或铁粉，0.1～0.5份氯化铵，1～2份明胶，1～2份聚乙烯吡咯烷酮，1-5份步骤(1)所述复合浆料，1～7份液体石蜡放入用高剪切搅拌机中进行充分混合、搅拌，调制成泥浆，使用造粒机将泥浆制成泥粒，并晾干成坯；(3)将步骤(1)制备的泥坯放置在高温炉中，在还原气氛或者厌氧条件下烧制，升温速度不得超过每小时90℃，在炉温升至550本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高效水净化材料，其特征在于：按重量份计，由包括如下组分的原料制备而成：60‑80份工业污泥和粘土、8‑16份氢氧化钙或碳酸钙、6‑9份活性炭或木屑、5‑8份氧化铁粉或铁粉、0.1～0.5份氯化铵、1～2份明胶、1～2份聚乙烯吡咯烷酮、1‑5份复合浆料、1～7份液体石蜡；其中，所述复合浆料中包括1‑3份氧化石墨烯，1‑2份纳米碳酸钙，和500份的热乙醇。

【技术特征摘要】
1.一种高效水净化材料，其特征在于：按重量份计，由包括如下组分的原料制备而成：60-80份工业污泥和粘土、8-16份氢氧化钙或碳酸钙、6-9份活性炭或木屑、5-8份氧化铁粉或铁粉、0.1～0.5份氯化铵、1～2份明胶、1～2份聚乙烯吡咯烷酮、1-5份复合浆料、1～7份液体石蜡；其中，所述复合浆料中包括1-3份氧化石墨烯，1-2份纳米碳酸钙，和500份的热乙醇。2.根据权利要求1所述的高效水净化材料，其特征在于：所述复合浆料中氧化石墨烯和纳米碳酸钙的质量比为1:1。3.根据权利要求1所述的高效水净化材料，其特征在于：所述工业污泥是污水处理厂的废弃污泥。4.根据权利要求1或3所述的高效水净化材料，其特征在于：所述粘土为膨润土、活性白土或高岭土中的一种或多种。5.根据权利要求1、3或4任一项所述的高效水净化材料，其特征在于：所述工业污泥和粘土的重量比介于1：2和2：1之间。6.根据权利要求1-5任一项所述的高效水净化材料，其特征在于：所述的铝盐为氯化铝、硫酸铝、硝酸铝等的一种或多种。7.根据权利要求1所述的高效水净化材料，其特征在于：按重量份计，由包括如下组分的原料制备而成：70-80份工业污泥和粘土、8-12份氢氧化钙、6-9份木屑、5-8份铁粉、0.1～0.5份氯化铵、1～2份明胶、1～2份聚乙烯吡咯烷酮、1-2份复合浆料、1～3份液体石蜡；其中，所述复合浆料中包括1-3份氧化石墨烯，1-2份纳米碳酸钙，和500份的热乙醇；所述的工业污泥和粘土由质量比为3:5的污泥和膨润土组成。8.一种高效水净化材...

【专利技术属性】
技术研发人员：方亚鹏，董凤良，王征，刘腾蛟，王永强，苏磊，
申请(专利权)人：方亚鹏，
类型：发明
国别省市：北京;11