一种基于天然沸石的脱氮除磷颗粒材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种基于天然沸石的脱氮除磷颗粒材料及其制备方法，该材料同时具有脱氮和除磷的功能，同时成本低、环保、具有实际工程应用价值。所述制备方法，包括如下步骤：1)将沸石粉碎并过60‑120目筛，用碱性溶液进行浸渍改性；然后用水洗涤至接近中性，并过滤烘干；2)将步骤1)得到的改性沸石与钙基材料和粘结剂按照质量比80:12:10‑80:1:2混合，搅拌均匀；所述钙基材料为Ca(OH)

【技术实现步骤摘要】
一种基于天然沸石的脱氮除磷颗粒材料及其制备方法
本专利技术属于环境科学与工程
，具体涉及一种脱氮除磷的复合功能材料的制备方法。
技术介绍
近年来，随着我国经济迅速发展，排污量日益增加，加之长期以来人们对湖泊资源的不合理开发，给湖泊生态环境造成了诸多不良影响，其中最严重的是湖泊富营养化。由于工业废水、生活污水和农业污水大量排入湖泊，致使水体中氮、磷浓度急剧增加，藻类及其它浮游生物异常繁殖，水体透明度降低，溶解氧下降，鱼类及其它生物大量死亡。如何有效解决水体富营养化导致的环境问题是我国环境治理过程中的重大需求。目前很多研究都认为即使湖泊外源氮、磷污染物输入得到有效控制，由于长期累积的内源氮、磷污染物的再次释放，水体富营养化状态也很难逆转，可见，控制水体内源氮、磷污染负荷迫在眉睫。沸石自身特殊的骨架组成和多孔结构，使其具有较大的比表面积，可以提供很多活性吸附位点，因此具有良好的吸附作用。同时，由于沸石骨架中含有带有负电荷的铝氧四面体结构，具有较好的阳离子交换性能，因此，在常规水质净化工艺中沸石常被用作氨氮的吸附材料。然而，由于其表面带有负电荷，使得沸石对磷酸盐的吸附能力很弱，极大地限制了其在富营养化水体修复和内源污染控制中的应用潜力。如果能够通过低成本、安全高效的技术对天然沸石进行改性，在保留其良好的氨氮吸附性基础上，同时提升其对磷酸盐的吸附能力，无论是对水处理工艺还是天然水环境治理方面都具有重要的价值。目前提高沸石除磷效果的改性方法有很多，主要包括盐类改性和稀土改性。对于盐类改性，比如Al3+、Fe3+，虽然除磷效果明显提升，但存在生物毒性风险，在水体中施用时，重金属离子释放，对水生生物产生毒性，造成水体的二次污染。此外，有大量研究表明，当水体pH持续高于9.5时，会使得沉积物中铝改性材料吸附的磷再次释放到水中，反而加剧水体富营养。采用稀土如镧对沸石进行改性虽然生物安全较高，但稀土元素价格较高，导致改性材料的成本较为昂贵，在实际工程使用时也受到诸多限制。除此之外，大多改性方法都是对粉末状材料进行改性，粉末状材料虽具有较大比表面积和丰富的表面活性基团，但在天然水环境应用中更容易受到风浪、生物等扰动而削减吸附效果，难以投入实际的工程应用。因此，专利技术一种成本低廉、环保高效，既能作为常规水处理吸附材料，同时又可用于水环境修复工程的复合功能材料是水环境治理中的迫切需要，同时具有重要的应用价值。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题和实际需求，本专利技术提供一种基于天然沸石的多功能颗粒材料，该材料同时具有脱氮和除磷的功能，同时成本低、环保、具有实际工程应用价值。本专利技术为达到其目的，提供如下技术方案：本专利技术提供一种基于天然沸石的脱氮除磷颗粒材料的制备方法，包括如下步骤：1)将沸石粉碎并过60-120目筛(例如60、80、100、120目筛)，用碱性溶液进行浸渍改性；然后用水洗涤至pH接近7(pH为6.5-7.5)，并过滤烘干，例如置于105℃的烘箱中干燥12-24h，得到改性沸石；2)将步骤1)得到的改性沸石与钙基材料和粘结剂按照质量比80:12:10-80:1:2(例如80:12:10、40:4:5、20:1:2、40:1:5、40:3:5、80:1:2等)混合，搅拌均匀；所述钙基材料为Ca(OH)2和CaO的一种或两种的组合；3)将步骤2)所得混合物用质量浓度为10％-50％(例如10％、20％、30％、35％、40％、50％)的硅酸钠水溶液混合均匀并造粒，例如用圆盘造粒机、挤压造粒机等制作成球形颗粒；4)将步骤3)所得颗粒进行煅烧获得多孔颗粒材料。一些实施方案中，步骤1)中，所述碱性溶液的浓度为1-5mol/L，所述碱性溶液选自NaOH水溶液和KOH水溶液中的一种或两种的组合。沸石和碱性溶液的固液比可以为1:5-1:8(单位为g/ml)。一些实施方案中，步骤1)中所述浸渍改性包括将所述沸石在所述碱性溶液中振荡浸渍20-24h。一些实施方案中，步骤2)中所述粘结剂选自膨润土、黏土的一种或两种的组合。一些实施方案中，步骤3)中所述造粒获得的颗粒为球形颗粒，粒径为1-5mm；一些实施方案中，步骤3)中，所述硅酸钠水溶液质量浓度为10％-50％，以5:2(单位为g/ml)的固液比向步骤2)中所得混合物中加入所述硅酸钠水溶液。一些实施方案中，步骤4)中，所述煅烧在马弗炉或回转炉中进行，以5-15℃/分钟的升温速率升温至300-700℃(例如300℃、400℃、500℃、600℃、700℃)的焙烧温度，在所述焙烧温度下保持0.5-2.5h，之后冷却至室温；一些优选实施方案中，步骤4)中，以5-10℃/分钟的升温速率升温至400-500℃的焙烧温度，并在该焙烧温度下持续1.2-2.5h。专利技术人发现，采用优选的升温速率、焙烧温度和焙烧时间，利于获得性能更佳的产品；若升温速率过高，会导致材料不能充分焙烧，而过低的焙烧温度会导致材料中有机物无法充分去除，同时最终多孔材料松散度也过高；如果焙烧温度过高，会破坏沸石本身结构，同时材料表面形成釉面，堵塞孔道，不利于吸附和载氧。本专利技术提供的制备方法中，步骤2)中改性沸石、钙基材料和粘合剂的质量比例为80:12:10-80:1:2，较佳为20:1:2；步骤3)中硅酸钠水溶液的质量浓度为10％-50％，优选35％；采用这些优选比例，可以最大限度的提高材料除磷效果，同时避免影响改性沸石去除氨氮的能力，也能降低最终多孔材料的散失率，具有一定强度。专利技术人发现，改性沸石、钙基材料和粘合剂的质量比例的改变，可能会导致材料除磷和除氮效果难以达到良好的兼顾和平衡，例如可能会导致材料除磷效果较佳，但除氮作用较差；结合采用优选的硅酸钠水溶液浓度，利于改善材料强度，若硅酸钠水溶液浓度较低，不利于获得强度较高的材料。本专利技术还提供一种根据上文所述的制备方法制得的基于天然沸石的脱氮除磷颗粒材料。本专利技术还提供上文所述的基于天然沸石的脱氮除磷颗粒材料在水质净化和/或水环境修复中的应用。本专利技术提供的技术方案具有如下有益效果：本专利技术利用廉价的沸石，经过碱溶液浸渍改性后，与钙基材料、粘结剂混合，再与硅酸钠水溶液混合造粒后经300-700℃高温煅烧二次改性，得到多孔颗粒材料。该材料不仅能吸附水体中氮、磷，减少富营养化发生，同时，颗粒状的材料既可以用于常规水质净化处理工艺中，也可以应用于富营养化水体的内源污染控制实际工程中，且根据使用环境制备出不同粒径规格的材料，得以充分发挥氮磷吸附性和材料的稳定性，使得该材料不仅解决水环境修复单一功能的局限，同时在工程应用方面也有了新的突破。附图说明图1和图2依次分别是一种实施方式中材料的磷和氨氮吸附等温线图；图3和图4依次分别是一种实施方式中材料的磷和氨氮吸附动力学图；图5是一种实施方式中材料吸附脱附等温线；图6和图7依次分别为一种实施方式中复合材料的SEM结果图和天然沸石的SEM结果图；图8是天然沸石颗粒和复合本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于天然沸石的脱氮除磷颗粒材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：/n1)将沸石粉碎并过60-120目筛，用碱性溶液进行浸渍改性；然后用水洗涤至pH为6.5-7.5，并过滤烘干；/n2)将步骤1)得到的改性沸石与钙基材料和粘结剂按照质量比80:12:10-80:1:2混合，搅拌均匀；所述钙基材料为Ca(OH)

【技术特征摘要】
1.一种基于天然沸石的脱氮除磷颗粒材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将沸石粉碎并过60-120目筛，用碱性溶液进行浸渍改性；然后用水洗涤至pH为6.5-7.5，并过滤烘干；
2)将步骤1)得到的改性沸石与钙基材料和粘结剂按照质量比80:12:10-80:1:2混合，搅拌均匀；所述钙基材料为Ca(OH)2和CaO的一种或两种的组合；
3)将步骤2)所得混合物用质量浓度为10％-50％的硅酸钠水溶液混合均匀并造粒；
4)将步骤3)所得颗粒进行煅烧获得多孔颗粒材料。


2.根据权利要求1所述的基于天然沸石的脱氮除磷颗粒材料的制备方法，其特征在于，
步骤1)中，所述碱性溶液的浓度为1-5mol/L，所述碱性溶液选自NaOH水溶液和KOH水溶液中的一种或两种的组合。


3.根据权利要求1或2所述的基于天然沸石的脱氮除磷颗粒材料的制备方法，其特征在于，
步骤1)中所述浸渍改性包括将所述沸石在所述碱性溶液中振荡浸渍20-24h。


4.根据权利要求1-3任一项所述的基于天然沸石的脱氮除磷颗粒材料的制备方法，其特征在于，步骤2)中所述粘结剂选自膨润土、黏土的一种或两种的组合。


5.根据权利要求1-4任一项所述的基于天然沸石的脱氮除磷颗粒材料的制备方...

【专利技术属性】
技术研发人员：张洪刚，杨敏，
申请(专利权)人：中国科学院生态环境研究中心，
类型：发明
国别省市：北京;11