專利名稱：陰離子捕獲劑及其制備和使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種陰離子捕獲劑及其制備和使用方法。
背景技術(shù)：
在我國乃至世界各地，廣泛存在著有毒有害陰離子造成的環(huán)境污染。一方面，對人類健康危害較大的重金屬和非金屬類污染物，在環(huán)境中大多呈陰離子、絡(luò)陰離子或聚合陰離子形式，如CrO42-、Cr2O72-、HAsO42-、SeO32-以及帶負電荷與負極性的有機化合物，如苯氧乙酸等存在；另一方面，由陰離子引起的污染難以通過自然作用被凈化，因為它在環(huán)境中具有很強的遷移能力和持久的危害性。
陰離子污染主要來源于冶金、印染、電鍍、化工等行業(yè)的廢水排放。這些陰離子進入環(huán)境后，由于地表土壤、巖石及水系沉積物對它們的吸附能力很弱，因此能很快進入生物圈和水圈。有關(guān)報道指出陰離子的地球化學(xué)行為既是理解某些環(huán)境問題，如地下水質(zhì)和放射性污水處理的重要方面，也是理解地球表面物質(zhì)循環(huán)的基礎(chǔ)。陰離子污染已成為目前全球關(guān)注的重點環(huán)境問題之一。因此，客觀上迫切需要一種能阻止陰離子遷移流動的環(huán)保材料，本發(fā)明就是針對這一客觀需求提出了一種陰離子捕獲劑的制備和使用方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對上述客觀需求，提供一種陰離子捕獲劑及其制備和使用方法。
本發(fā)明的陰離子捕獲劑是一種具有層狀結(jié)構(gòu)的雙金屬氧化物，其化學(xué)結(jié)構(gòu)通式為MIImMIIInOx，其中MII為二價陽離子，MIII為三價陽離子，x＝m+3n/2。
本發(fā)明的陰離子捕獲劑是由水滑石在400～550℃溫度下加熱2～4小時得到。
發(fā)明中使用的水滑石可以是市售商品或按以下步驟制備而成1)將鋁鹽溶于水中配制成濃度為0.3M的溶液，向溶液中加入克分子數(shù)2～4倍于鋁鹽的鎂鹽，攪拌直至全溶，制得鹽溶液A；2)將克分子數(shù)與鎂鹽相等的碳酸鹽溶于水中，配成濃度為0.8M的溶液，向溶液中加入克分子數(shù)三倍于碳酸鹽的堿，攪拌直至全溶，制得堿溶液B；3)采用共沉淀法將上述A、B兩種溶液同時逐滴滴入強烈攪拌著的水中；或者用水熱法將兩溶液快速混合，得到白色懸浮液；4)將懸浮液放入水浴鍋中，在80℃下，攪拌晶化；或者將懸浮液置于耐壓容器中，在120～160℃條件下晶化；5)將步驟4)所得產(chǎn)物抽濾、水洗至中性。放入烘箱中，在60～80℃下烘干，得到水滑石；上述的鋁鹽可以是氯化鋁、硝酸鋁、硫酸鋁及其水合物，所說的鎂鹽可以是氯化鎂、硝酸鎂、硫酸鎂及其水合物，所說的堿為氫氧化鈉、氫氧化鉀、氨水或尿素等，碳酸鹽為碳酸鈉、碳酸鉀或尿素等。
本發(fā)明的陰離子捕獲劑用于處理含陰離子污染物廢水，包括以下步驟1)分析廢水中陰離子污染物的含量，計算各種陰離子的濃度；2)將用量為待處理廢水中陰離子污染物總量的5～50倍的陰離子捕獲劑，加入到廢水中并攪拌0.5～3小時；3)選用沉淀、過濾、氣浮等方法，使雙金屬氧化物與廢水分離。
本發(fā)明的優(yōu)點是1.具有層狀結(jié)構(gòu)的雙金屬氧化物作為陰離子捕獲劑，通過層間陰離子交換、層狀結(jié)構(gòu)重建吸附環(huán)境中的陰離子的過程是不可逆的，故用它來處理廢水不會造成二次污染；2.本發(fā)明的陰離子捕獲劑制備合成工藝簡單，成本低廉；3.陰離子捕獲劑的調(diào)配計量也很粗放，對操作人員的技術(shù)要求不高，使用方便簡單；4.去除廢水中的陰離子污染物質(zhì)效果好，適用范圍廣泛，可廣泛用于冶金、電鍍、化工等行業(yè)廢水的排放前處理，以及用于土壤和地下水污染的防止和修復(fù)。
具體實施例方式
陰離子捕獲劑能有效的去除工業(yè)廢水中的陰離子污染物質(zhì)，它對呈陰離子、絡(luò)陰離子形式存在的污染物有很強的吸附能力，并能有效吸附水體中呈酸根形式存在的的Cr，N，P，As，Se和放射性元素，此外，陰離子捕獲劑還能吸附有機污染物，如農(nóng)藥、酚類化合物等。
本發(fā)明提出的陰離子捕獲劑是一種具有層狀結(jié)構(gòu)的雙金屬氧化物，由兩種不同價態(tài)的金屬氧化物組成的人工合成物，簡稱LDO(Layered Double Oxides)。它具有類似于水鎂石(Mg(OH)2)的層狀結(jié)構(gòu)，其前身為水滑石類化合物，亦被稱為陰離子粘土。水滑石的化學(xué)結(jié)構(gòu)通式為 X+[Ax/nn-·mH2O]其中MII為Mg2+，Zn2+，F(xiàn)e2+，Mn2+，Co2+，Ni2+，Cu2+，Ca2+等二價金屬陽離子；MIII為Al3+，F(xiàn)e3+，Cr3+，Co3+，Mn3+等三價金屬陽離子；An-為CO32-，Cl-，NO3-，SO42-等陰離子；X＝0.5～0.17；MII/MIII＝1～5。
以上結(jié)構(gòu)式可以看作是水鎂石中的二價金屬陽離子被三價金屬陽離子部分替代的產(chǎn)物，為平衡結(jié)構(gòu)層的正電荷，在結(jié)構(gòu)層之間又充填了陰離子，此外還有水分子。水滑石在400℃～550℃下煅燒即失去層間陰離子和水分子，得到相應(yīng)的雙金屬氧化物(LDO)。雙金屬氧化物的通式為MIImMIIInOx，其中x＝m+3n/2。雙金屬氧化物對陰離子污染物的吸附作用機理，在于它與水接觸后，具有從溶液中獲取陰離子與水分子的強烈傾向，以恢復(fù)重建水滑石的結(jié)構(gòu)。因此，雙金屬氧化物可通過層間陰離子交換、層狀結(jié)構(gòu)重建等機制來吸附環(huán)境中有毒有害的陰離子?？蓮V泛用于冶金、電鍍、化工等行業(yè)廢水的排放前處理，以及用于土壤和地下水污染的防止和修復(fù)。作為一種簡單、有效、經(jīng)濟的環(huán)境修復(fù)技術(shù)，陰離子捕獲劑在環(huán)保事業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。
制備本發(fā)明陰離子捕獲劑的水滑石可以是市售商品或用共沉淀法或水熱法制得，水滑石的主要原料是鎂鹽、鋁鹽、燒堿和碳酸鹽。其中，鎂鹽和鋁鹽可采用硫酸鹽、硝酸鹽和鹽酸鹽及其水合物。鎂鹽與鋁鹽的克分子比例，對產(chǎn)品的吸附性能有較大影響，一般應(yīng)控制在2∶1至4∶1范圍，推薦值為3∶1。在配制溶液A時，鎂鹽與鋁鹽的溶解順序并不重要。溶液B由碳酸鈉與燒堿配制而成，其中碳酸鈉與鎂鹽克分子數(shù)相等，燒堿的克分子數(shù)是碳酸鈉的三倍，二者的溶解順序并不重要；也可以用尿素代替燒堿和碳酸鹽。
共沉淀法與水熱法使用的溶液相同，但將兩種溶液混合的方式及晶化條件不同。共沉淀法采用滴注將兩種溶液混合，需較長滴注時間及晶化時間，但所需設(shè)備簡單。水熱法生產(chǎn)流程短，但需使用壓力容器，設(shè)備投資較大。
使用前需測定廢水中污染物的含量，計算各種陰離子的濃度，以此作為確定陰離子捕獲劑用量的依據(jù)。加入到廢水中的雙金屬氧化物，其重量至少應(yīng)五倍于陰離子總量。
雙金屬氧化物對陰離子的吸附反應(yīng)進行迅速，一般可在半小時內(nèi)完成。為使反應(yīng)徹底，將其加入廢水后需不斷攪拌，以使陰離子捕獲劑保持懸浮。反應(yīng)結(jié)束后可選用常規(guī)性的沉淀、過濾、氣浮等方法使雙金屬氧化物與廢水分離。
下面結(jié)合實施例進一步說明本發(fā)明。
實施例1制備陰離子捕獲劑。
1)將0.225mol Mg(NO3)2和0.075mol Al(NO3)3溶于250mL水中配成Mg(NO3)2和Al(NO3)3的鹽溶液A；2)將0.675mol NaOH和0.225mol Na2CO3溶于250mL水中配成NaOH和Na2CO3的堿溶液B；3)將鹽液與堿液同時逐滴滴入強烈攪拌著的100mL蒸餾水中，滴加時間為4小時；4)將懸浮液放入水浴鍋中，在80℃溫度下，攪拌晶化24小時；5)將產(chǎn)物抽濾、水洗至中性。
6)在500℃溫度下煅燒3小時，碾磨，得到Mg-Al型雙金屬氧化物。
實施例2用陰離子捕獲劑去除廢水中的亞硒酸根離子。
1)各取一升濃度為1.27cmol/L的亞硒酸根溶液；2)各加入實例1中制備的雙金屬氧化物4g；3)在常溫下攪拌20分鐘；4)靜置12小時，測定溶液中的亞硒酸根含量。
經(jīng)過上述吸附實驗，發(fā)現(xiàn)溶液中的亞硒酸根離子濃度下降為0.63cmol/L，超過99.9％的亞硒酸根離子被陰離子捕獲劑所吸附。
實施例3去除廢水中的除草劑MCPA1)各取一升濃度為80.0mmol/L的含MCPA溶液；2)各加入實例1中制備的雙金屬氧化物4g；3)在常溫下攪拌20分鐘；4)靜置24小時，測定溶液中的MCPA濃度。
經(jīng)過上述吸附實驗，發(fā)現(xiàn)溶液中的MCPA下降為6mmol/L，超過99.9％的MCPA被陰離子捕獲劑所吸附。
實施例4去除廢水中的重鉻酸根離子1)各取一升濃度分別為60mmol/L的重鉻酸根溶液；2)各加入實例1中制備的雙金屬氫氧化物1g；3)在常溫下攪拌20分鐘；4)靜置10小時，測定溶液中的重鉻酸根含量。
經(jīng)過上述實驗方法發(fā)現(xiàn)，Mg-Al型雙金屬氧化物對重鉻酸根離子的吸附最大容量為110mmol/g。
實施例5重復(fù)實例1的程序，只是改變pH值，可得到pH值在5.0～10.0之間吸附能力保持不變。
實施例6重復(fù)實例2的程序，只是改變pH值，可得到pH值在5.0～7.0之間吸附能力保持不變。
實施例7重復(fù)實例3的程序，改用不同類型的雙金屬氧化物，可得到[Mg3AlCl]，[Mg3AlCO3]和[Mg3AlNO3]型雙金屬氧化物對MCPA的吸附量分別為1.21，0.50，0.008mmol/g。
權(quán)利要求
1.一種陰離子捕獲劑，其特征在于它是具有層狀結(jié)構(gòu)的雙金屬氧化物，其化學(xué)結(jié)構(gòu)通式為MIImMIIInOx，其中MII為二價陽離子，MIII為三價陽離子，x＝m+3n/2。
2.制備權(quán)利要求1所述的陰離子捕獲劑的方法，其特征在于它是由水滑石在400～550℃溫度下加熱2～4小時制得。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備陰離子捕獲劑的方法，其特征在于所說的水滑石為市售商品或按以下步驟制備而成1)將鋁鹽溶于水中配制成濃度為0.3M的溶液，向溶液中加入克分子數(shù)2～4倍于鋁鹽的鎂鹽，攪拌直至全溶，制得鹽溶液A；2)將克分子數(shù)與鎂鹽相等的碳酸鹽溶于水中，配成濃度為0.8M的溶液，向溶液中加入克分子數(shù)三倍于碳酸鹽的堿，攪拌直至全溶，制得堿溶液B；3)采用共沉淀法將上述A、B兩種溶液同時逐滴滴入強烈攪拌著的水中；或者用水熱法將兩溶液快速混合，得到白色懸浮液；4)將懸浮液放入水浴鍋中，在80℃下，攪拌晶化；或者將懸浮液置于耐壓容器中，在120～160℃條件下晶化；5)將步驟4)所得產(chǎn)物抽濾、水洗至中性。放入烘箱中，在60～80℃下烘干，得到水滑石；
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備陰離子捕獲劑的方法，其特征在于所說的鋁鹽為氯化鋁、硝酸鋁、硫酸鋁及其水合物，鎂鹽為氯化鎂、硝酸鎂、硫酸鎂及其水合物。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備陰離子捕獲劑的方法，其特征在于所說的的堿為氫氧化鈉、氫氧化鉀、氨水或尿素，碳酸鹽為碳酸鈉、碳酸鉀或尿素。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陰離子捕獲劑的應(yīng)用，用于處理含陰離子污染物的廢水，將用量為待處理廢水中陰離子污染物總量的5～50倍的陰離子捕獲劑，加入到廢水中并攪拌0.5～3小時；然后選用沉淀、過濾、氣浮等方法，使雙金屬氧化物與廢水分離。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種陰離子捕獲劑及其制備和在廢水處理上的使用方法。這種陰離子捕獲劑是一種具有層狀結(jié)構(gòu)的雙金屬氧化物，由于其特殊的結(jié)構(gòu)和性能，使其能通過層間陰離子交換、層狀結(jié)構(gòu)重建等機制來吸附環(huán)境中的有毒有害的陰離子。將有效量的陰離子捕獲劑與廢水接觸，并控制反應(yīng)條件，即可去除廢水中的陰離子污染物質(zhì)。本發(fā)明合成工藝簡單，實際操作方便、處理效果好，成本低廉，而且它對有毒有害陰離子的吸附基本上是不可逆的，不會造成二次污染。該方法的操作方便，處理效果好，投資經(jīng)濟合理。因此，可廣泛用于冶金、電鍍、化工等行業(yè)的廢水處理，也可用于被污染土壤和地表水、地下水的修復(fù)與治理。
文檔編號C02F1/58GK1405094SQ02145169
公開日2003年3月26日 申請日期2002年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月8日
發(fā)明者葉瑛, 鄭麗波, 馮璐珈, 沈忠悅, 楊帥杰, 韓杰, 陳志飛 申請人:浙江大學(xué)