用于突發(fā)性環(huán)境污染應(yīng)急處理的快速吸附劑及制備與應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種用于突發(fā)性環(huán)境污染應(yīng)急處理的快速吸附劑及其制備方法與應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，我國(guó)突發(fā)性環(huán)境污染事故相繼頻發(fā)，據(jù)不部分統(tǒng)計(jì)每年發(fā)生約2000余起，平均每天超過3起。其中危害嚴(yán)重，曾經(jīng)轟動(dòng)一時(shí)的突發(fā)性污染事件就有多起，包括2005年松花江水污染事件、廣東北江流域鎘污染事件，2010年福建紫金礦業(yè)潰壩致汀江銅污染事件，2011年四川涪江錳污染事件，2011年云南曲靖鉻渣非法傾倒污染珠江源頭事件，這系列突發(fā)性水污染事件的發(fā)生，都表明流域性水污染事件影響范圍廣、處置困難的特點(diǎn)。如果處置遲緩，將直接威脅飲用水安全，造成社會(huì)恐慌。因此，如何提高對(duì)突發(fā)性環(huán)境污染事故應(yīng)急處置效率，提供事故應(yīng)急處理的新方法和材料，已成為環(huán)保領(lǐng)域中刻不容緩的新課題。
[0003]當(dāng)前對(duì)水體中重金屬污染和染料污染的去除技術(shù)包括了吸附、還原、離子交換、過濾反滲透等方法。吸附法相對(duì)其他方法在成本和操作方便性等方面有著顯著優(yōu)勢(shì)。目前活性炭、粘土、聚合物和生物材料等一系列吸附劑已被廣泛研宄用于重金屬和工業(yè)染料的去除。同時(shí)，隨著納米技術(shù)和納米材料的發(fā)展，使得吸附劑快速并大量地去除重金屬和工業(yè)染料成為一種可能，例如納米碳材料和納米氧化金屬由于有很高的比表面積，現(xiàn)在正被積極研宄用于重金屬和工業(yè)染料的吸附。特別是納米尺寸的鐵的氧化物，由于它們對(duì)重金屬，特別是六價(jià)鉻和工業(yè)染料有很強(qiáng)的親和力，而且鐵的氧化物毒性低、易降解，使他們成為極其有效且環(huán)保的重金屬和工業(yè)染料吸附劑。除此之外，鐵元素在地球上含量豐富，鐵的氧化物也易于合成，使得此類吸附劑的制造成本也較低。
[0004]然而，納米尺寸的鐵的氧化物，如納米氧化鐵顆粒在溶液中很容易聚集，令他們對(duì)重金屬和工業(yè)染料的吸附作用極大地降低。因此，很多多孔材料，如粘土、聚合物和碳材料被用作納米氧化鐵的支架來分散他們以減少顆粒的聚集?？紤]到材料的安全性和對(duì)分散的有效性，碳材料，包括活性炭、石墨烯和碳納米管被頻繁用作納米氧化鐵的支撐物。不利的是，引進(jìn)多一種材料和納米氧化鐵來構(gòu)建復(fù)合材料會(huì)增加吸附劑制作的復(fù)雜性，同時(shí)商業(yè)化的碳材料成本較高，這樣會(huì)令整個(gè)吸附劑的生產(chǎn)成本增加。有研宄利用熱解木質(zhì)纖維素含量豐富的農(nóng)作物來生產(chǎn)生物炭，并利用這些生物炭來負(fù)載納米金屬，起到了降低用料成本和良好的分散納米金屬的作用。然而熱解木質(zhì)纖維素需要很高的溫度(>500°C)，并且加熱過程往往需要較長(zhǎng)的時(shí)間。由于松香的主要成分是松香酸，其分子量遠(yuǎn)小于木質(zhì)纖維素，所以松香能在相對(duì)較低的溫度(約400°C )和較短的時(shí)間內(nèi)(〈lOmin)就能熱解為生物炭。前期，我們報(bào)道了在摻入粘土作為氧化鐵的支撐物條件下，通過熱解松香來制備生物炭，以負(fù)載納米氧化鐵(Journal of Materials Chemistry A, 2015，3，4595-4603)，而慘入粘土僅起到在吸附劑制備過程中增加松香溶液粘稠度作用，但降低了吸附劑的吸附能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，本發(fā)明的首要目的在于提供一種用于突發(fā)性環(huán)境污染應(yīng)急處理的快速吸附劑。該快速吸附劑是通過熱解松香制備生物炭并負(fù)載納米氧化鐵顆粒的方法制得，該快速吸附劑成本低廉、制作簡(jiǎn)單、安全無毒且在寬泛的PH范圍內(nèi)都保持高效重金屬和工業(yè)染料去除性能。
[0006]本發(fā)明的另一目的在于提供上述用于突發(fā)性環(huán)境污染應(yīng)急處理的快速吸附劑的制備方法。
[0007]本發(fā)明的再一目的在于提供上述用于突發(fā)性環(huán)境污染應(yīng)急處理的快速吸附劑的應(yīng)用。
[0008]本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):一種用于突發(fā)性環(huán)境污染應(yīng)急處理的快速吸附劑，由以下成分制備得到:松香、鐵鹽、堿性溶液；制備過程為將松香乙醇溶液摻入鐵鹽的堿性溶液，攪拌均勻，然后在350°C?500°C溫度下碳化。
[0009]其中，換算成鐵元素和松香的質(zhì)量比優(yōu)選為1: (I?8)；
[0010]所述的鐵鹽可為二價(jià)鐵鹽或者三價(jià)鐵鹽；
[0011]進(jìn)一步地，所述的鐵鹽優(yōu)選為六水合三氯化鐵、四水合氯化亞鐵、硫酸鐵、七水合硫酸亞鐵、九水硝酸鐵和硝酸亞鐵中的一種；
[0012]所述的堿性溶液優(yōu)選為NaOH溶液、KOH溶液、氨水、尿素等堿性溶液中的一種。
[0013]所述的堿性溶液的質(zhì)量濃度為2?15 %。
[0014]上述用于突發(fā)性環(huán)境污染應(yīng)急處理的快速吸附劑的制備方法，包括以下步驟:
[0015](I)取鐵鹽溶于水中，配置成含鐵元素質(zhì)量濃度為4?16%的溶液；用堿性溶液將上溶液調(diào)節(jié)pH至7.5?10，得到混合液；
[0016](2)將松香溶于無水乙醇中，得松香乙醇溶液，將松香乙醇溶液滴加進(jìn)步驟(I)所述的混合液中，獲得混合物；
[0017](3)將步驟(2)得到的混合物加熱，去掉大部分溶劑，得稠狀混合物；
[0018](4)將步驟(3)中的稠狀混合物在350?500°C下加熱，研磨得到快速吸附劑；
[0019]步驟(I)中所述的堿性溶液質(zhì)量濃度為2?15% ;
[0020]步驟⑵中所述的松香乙醇溶液中松香的質(zhì)量濃度為6?48% ;
[0021]步驟(3)中所述的加熱的條件優(yōu)選為60?90°C加熱；
[0022]步驟(3)中所述的去掉大部分溶劑，是指去掉的溶劑量為步驟(2)得到的混合物中溶劑質(zhì)量的75%?95% ；
[0023]步驟(4)中所述的加熱過程可以在有氧或者是無氧的環(huán)境中進(jìn)行；
[0024]步驟⑷中所述的加熱的條件優(yōu)選為加熱3?lOmin。
[0025]所述的用于突發(fā)性環(huán)境污染應(yīng)急處理的快速吸附劑可應(yīng)用在廢水中重金屬和工業(yè)染料的快速去除以及應(yīng)急處理。
[0026]本發(fā)明的原理是:松香由于具有較低的碳化溫度，同時(shí)其碳化生成的生物炭有很好的疏松多孔結(jié)構(gòu)。鐵離子或者亞鐵離子經(jīng)過堿化處理形成氫氧化鐵或者氫氧化亞鐵，然后再跟松香均勻混合。這樣當(dāng)松香在碳化的過程中，氫氧化鐵或者氫氧化亞鐵會(huì)脫水形成鐵的氧化物顆粒并分散在松香形成的生物炭骨架上，這樣就不但使納米尺寸的鐵的氧化物顆?？梢缘玫胶芎玫姆稚ⅲ液?jiǎn)化了構(gòu)建鐵的氧化物/生物炭復(fù)合物的步驟。從而通過一種低廉、簡(jiǎn)便的方法使大量的鐵的氧化物的納米顆粒分散在生物炭上，使得鐵的氧化物的納米顆粒能很好地吸附水中的重金屬和工業(yè)染料，達(dá)到高效去除重金屬和工業(yè)染料的作用。
[0027]本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，具有如下的優(yōu)點(diǎn)及效果:
[0028](I)本發(fā)明的重金屬和工業(yè)染料快速吸附劑所涉及的原料來源廣泛、價(jià)格低廉，使得本發(fā)明的成本較低。同時(shí)，本發(fā)明的工藝簡(jiǎn)單，且非常適合大規(guī)模生產(chǎn)。
[0029](2)相對(duì)其他類似的重金屬和工業(yè)染料吸附劑，在同等的條件下本發(fā)明的吸附劑對(duì)重金屬和工業(yè)染料的吸附速率極快，一分鐘內(nèi)基本就能達(dá)到吸附平衡(如六價(jià)鉻)；同時(shí)有很高的重金屬和工業(yè)染料吸附能力，Ig吸附劑能去除高達(dá)171.4mg的六價(jià)鉻和11.5mg的亞甲基藍(lán)。
[0030](3)其他類似鐵的氧化物吸附劑對(duì)重金屬和工業(yè)染料的去除受溶液pH的影響很大。而本發(fā)明的吸附劑在酸性和堿性條件下對(duì)重金屬和工業(yè)染料都有較好的吸附(每I克最優(yōu)條件下生產(chǎn)的吸附劑在pH = 3?11范圍內(nèi)去除六價(jià)絡(luò)均高于138mg，去除亞甲基藍(lán)均高于6.3mg)。由于現(xiàn)實(shí)廢水的pH范圍很廣，而此吸附劑無論在酸性或者堿性環(huán)境下都有很好的重金屬和工業(yè)染料吸附效能，因此本發(fā)明具有很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
[0031](4)本發(fā)明優(yōu)化了工藝，最終通過簡(jiǎn)易的方法將松香和鐵離子混合，再通過一步短時(shí)間的加熱同時(shí)完成松香熱解和負(fù)載納米氧化鐵的過程，得到納米氧化鐵分散性很好的吸附劑，顯著提高了吸附能力、縮短了吸附飽和時(shí)間。該吸附劑選用松香、氯化鐵等主要材料價(jià)格低廉，且整個(gè)制作過程簡(jiǎn)便并易于大規(guī)模生產(chǎn)，同時(shí)得到的吸附劑能快速并大量地吸附重金屬和工業(yè)染料，而且該吸附劑在酸性和堿性條件下對(duì)重金屬和工業(yè)染料都有很高的吸附能力，是一種非?？焖俑咝У?，可用于治理水體重金屬和染料突發(fā)性污染的快速吸附劑。
【具體實(shí)施方式】
[0032]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
[0033]實(shí)施例1
[0034]一種快速吸附劑的制備方法，包括以下步驟:
[0035](I) 6g六水合三氯化鐵溶于15mL水中，滴入質(zhì)量濃度為2 %的KOH調(diào)節(jié)溶液pH至7.5，得到混合液；
[0036](2)4g松香(購(gòu)自深圳吉田化工有限公司)溶于20mL無水乙醇后滴加進(jìn)步驟(I)中所述的混合液中，獲得混合物；
[0037](3)80°C下，將步驟⑵中的混合物中的溶劑揮發(fā)掉溶劑質(zhì)量的80%，得到稠狀混合物；
[0038](4)將步驟(3)的稠狀混合物在無氧環(huán)境及350°C下加熱lOmin，研磨得粉末用于突發(fā)性環(huán)境污染應(yīng)急處理的快速吸附劑。
[0039]本實(shí)例吸附劑的六價(jià)鉻吸附平衡時(shí)間少于5min，去除能力為152.3mg/g ;亞甲基藍(lán)的吸附平衡時(shí)間少于30min，去除能力為7.9mg/g。(實(shí)驗(yàn)條件:室溫；溶液pH = 7 ;六價(jià)鉻濃度，50mg/L ;亞甲基藍(lán)濃度5mg/L ;材料用量，0.3g/L)
[0040]實(shí)施例2
[0041](1)4.4g四水合氯化亞鐵溶于15mL水中，滴入質(zhì)量濃度為10%的氨水使溶液的pH至8，得到混合液；
[0042](2)2g松香溶于20mL無水乙醇后滴加進(jìn)步驟⑴所述的混合液中，獲得混合物；
[0043](3)85°C下，將步驟⑵中的混合物中的溶劑揮發(fā)掉溶劑質(zhì)量的85%，得稠狀混合物；
[0044](4)將步驟(3)的稠狀混合物在有氧環(huán)境及400°C下加熱5min，研磨得粉末用于突發(fā)性環(huán)境污染應(yīng)急處理的快速吸附劑。
[0045]本實(shí)例吸附劑的六價(jià)絡(luò)吸附平衡時(shí)間少于5min，去除能力為141.2mg/g ;亞甲基藍(lán)的吸附平衡時(shí)間少于30min，去除能力為6.9mg/g。(實(shí)驗(yàn)條件:室溫；溶液pH = 7 ;六價(jià)鉻濃度，50mg/L ;亞甲基藍(lán)濃度5mg/L ;材料用量，0.3g/L)
[0046]實(shí)施例3
[0047](1)4.5g硫酸鐵溶于15mL水中，滴入質(zhì)量濃度為10%的尿素使溶液的pH至9，得到混合液；
[0048](2)6g松香溶于20mL無水乙醇后滴加進(jìn)步驟⑴所述的混合液中，獲得混合物；
[0049](3)85°C下，將步