專利名稱：具有重金屬離子脫除功能的復(fù)合材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種具有重金屬離子脫除功能的復(fù)合材料，特別是一種由活性炭與羥基磷灰石組成的復(fù)合材料，屬于環(huán)保材料和復(fù)合材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
鋼鐵行業(yè)、電鍍行業(yè)、芯片加工等多個(gè)行業(yè)都會(huì)產(chǎn)生含有一定重金屬離子的廢水，這些廢水中所含有的重金屬離子導(dǎo)致嚴(yán)重的污染，對(duì)人類的身體健康、水資源產(chǎn)生負(fù)面影響。除去水中重金屬離子的方法有很多，傳統(tǒng)的有中和凝聚沉淀法、高分子重金屬搜集法、螯合樹(shù)脂法、硫化物沉淀法、鐵氧體法、離子浮選法、離子交換法和活性炭吸附法等等。近10年來(lái)，研究者又發(fā)明了很多種方法，如溶劑萃取法、腐植酸類吸附法、殼聚糖類吸附法、微生物吸附法及納米材料催化還原法。方法眾多，所依據(jù)的原理可以概括為化學(xué)反應(yīng)沉淀、物理吸附、離子交換、有機(jī)基團(tuán)絡(luò)合和螯合、生物法、催化還原等。
對(duì)應(yīng)于這些重金屬處理原理，相應(yīng)有多種材料得到研究和應(yīng)用?；瘜W(xué)反應(yīng)沉淀法采用的是硝酸鉛、硫酸亞鐵等化學(xué)物質(zhì)，利用它們能夠與重金屬離子反應(yīng)生成沉淀或者低價(jià)態(tài)金屬離子，而達(dá)到消除重金屬離子的作用。物理吸附法多采用活性炭，活性炭加入到廢水中后，重金屬離子被吸附進(jìn)入到活性炭的空隙中，從而被從廢水中分離出來(lái)。離子交換法所采用的材料有很多種，如羥基磷灰石、沸石等，它們所含有的陽(yáng)離子可以與重金屬離子發(fā)生置換。有機(jī)基團(tuán)絡(luò)合與螯合作用的代表性材料有殼聚糖，其所含有的胺基與羥基能夠與重金屬離子分別發(fā)生絡(luò)合與螯合。生物法采用真菌或者一些藻類，利用它們與重金屬之間的作用除去重金屬離子。催化還原方法采用納米二氧化鈦等材料，在光作用下通過(guò)還原重金屬離子實(shí)現(xiàn)除去重金屬離子的目的。
以上這些方法所依據(jù)的原理和所采用的材料都不相同，但是就去除重金屬離子而言，均有一定的效果，也有一定局限性化學(xué)反應(yīng)沉淀的方法需要在水中添加大量的化學(xué)試劑，容易產(chǎn)生二次污染，而且，產(chǎn)生的沉淀具有一定溶解度，所以，水中的重金屬離子含量會(huì)保持在一個(gè)較低的水平，但無(wú)法徹底清除；采用活性炭進(jìn)行物理吸附的方法能夠處理低重金屬離子含量的水，但是由于物理吸附達(dá)到吸附平衡后就不能再吸附重金屬離子，所以它的處理能力完全取決于其吸附能力，實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)出來(lái)的現(xiàn)象是基于物理吸附的處理能力與實(shí)際應(yīng)用需求相比較偏低，這樣就需要使用大量的活性炭等吸附劑；沸石等無(wú)機(jī)材料的離子交換能力能夠高容量可設(shè)計(jì)地除去重金屬離子，但是對(duì)于重金屬離子濃度非常低的時(shí)候，離子交換由于濃度過(guò)低而無(wú)法進(jìn)行；基于殼聚糖等有機(jī)物質(zhì)的有機(jī)基團(tuán)絡(luò)合或者螯合方法表現(xiàn)出良好的處理效果，但是也還是存在使用介質(zhì)、使用溫度和成本的限制；生物法和催化還原法目前尚不成熟。因此，人們繼續(xù)在探索新的處理方法和相應(yīng)的處理材料，以求得到廉價(jià)、高效的重金屬離子處理材料和技術(shù)。
值得注意的是，目前人們?cè)谔剿髦亟饘匐x子的處理方法時(shí)，所采用的材料一般是某單一組分的材料，人們往往在不同階段根據(jù)不同的處理原理分別應(yīng)用一些材料對(duì)廢水進(jìn)行處理以降低重金屬離子含量，而很少采用多組分的復(fù)合材料，使其能夠在某個(gè)處理階段同時(shí)發(fā)揮多種處理原理，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)來(lái)提高重金屬離子去除能力。SandhyaBabel等的“用于從污染水中去除重金屬離子的低成本吸收劑”(Sandhya Babel，Tonni Agustiono Kurniawan，Low-cost absorbents for heavy metals uptake fromcontaminated watera review，Journal of hazards materials，B97(2003)，219-243)和馬江游等的“重金屬離子脫除技術(shù)進(jìn)展”(馬江游，黃代城，王睿，重金屬離子脫除技術(shù)進(jìn)展，化學(xué)工業(yè)與工程技術(shù)，24(3)，8-10)中敘述了多種重金屬離子處理原理和材料，但是均沒(méi)有提到同時(shí)發(fā)揮多種重金屬離子脫除作用機(jī)制的材料和方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)基于物理吸附作用的活性炭和基于離子交換作用的羥基磷灰石在處理廢水中重金屬離子的不足之處，提供一種由活性炭和納米羥基磷灰石為組份材料復(fù)合而成的復(fù)合材料，使其同時(shí)具有物理吸附富集和重金屬離子交換的功能。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所依據(jù)的原理為首先廢水中存在的低濃度金屬離子因?yàn)榛钚蕴康奈锢砦阶饔枚械綇?fù)合材料的孔結(jié)構(gòu)內(nèi)和表面，并形成物理吸附平衡，與此同時(shí)，富集于復(fù)合材料內(nèi)部和表面的重金屬離子與羥基磷灰石發(fā)生離子交換作用，重金屬離子進(jìn)入羥基磷灰石粉體中，使原來(lái)建立的物理吸附平衡被打破，從而進(jìn)一步推動(dòng)了重金屬離子向復(fù)合材料富集，使廢水中的重金屬離子濃度進(jìn)一步降低。在此過(guò)程中，物理吸附作用和離子交換作用同時(shí)對(duì)重金屬離子的去除起作用，并且產(chǎn)生了協(xié)同效應(yīng)。
根據(jù)上述原理，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種具有重金屬離子脫除功能的復(fù)合材料，其特征在于該復(fù)合材料是由活性炭與羥基磷灰石組成的復(fù)合顆粒，該顆粒的比表面積為200-800平方米/克；其中活性炭為10-90wt％；羥基磷灰石為10-90wt％。
上述的復(fù)合顆粒為破碎的不規(guī)則形狀的顆粒，其包絡(luò)半徑為的粒徑為2mm-12mm。
上述的復(fù)合顆粒的形狀為圓柱狀，其截面半徑在2mm-10mm，高度在2mm-20mm。
上述的復(fù)合顆粒的形狀為球體，其球半徑為3mm-15mm。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下顯而易見(jiàn)的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著進(jìn)步本發(fā)明的復(fù)合材料保留了傳統(tǒng)活性炭對(duì)重金屬離子的吸附富集功能，同時(shí)具有離子交換功能，因此本發(fā)明的復(fù)合材料對(duì)重金屬離子的去除更為徹底，因?yàn)槲锢砦剿⒌钠胶獗贿M(jìn)一步的離子交換作用打破，使重金屬向復(fù)合材料富集的趨勢(shì)得到提高，同時(shí)活性炭所提供的重金屬離子富集作用使羥基磷灰石對(duì)低濃度重金屬離子的離子交換效率和速度都得到提高。本發(fā)明的復(fù)合材料是同時(shí)具有物理吸附和離子交換功能的復(fù)合材料，具有優(yōu)良的重金屬離子去除能力。
具體實(shí)施例方式
結(jié)合本發(fā)明方法的內(nèi)容進(jìn)一步提供以下實(shí)施例實(shí)施例一材料中活性炭的比例為10wt.％，羥基磷灰石的比例為90％wt.％。材料的比表面積為200平方米/克。材料的形狀為破碎的不規(guī)則形狀的顆粒，其包絡(luò)半徑為5mm。本材料對(duì)包括鉻六價(jià)離子、汞離子、鎳離子等在內(nèi)的各種金屬離子都有良好的去除作用，原始重金屬離子含量為Cr2O72-30.2ppm、Hg2+25.6ppm、Ni2+10ppm、Cu2+5.0ppm、Cd2+16ppm的1升廢液經(jīng)此產(chǎn)品10克處理5小時(shí)，重金屬離子濃度測(cè)定結(jié)果是Cr2O72-0.5ppm、Hg2+0.13ppm、Ni2+0.8ppm、Cu2+低于0.1ppm、Cd2+0.3ppm實(shí)施例二材料中活性炭的比例為50wt.％，羥基磷灰石的比例為50％wt.％。材料的比表面積為600平方米/克。材料的形狀為圓柱體顆粒，截面半徑為2mm，高度為2mm。本材料對(duì)包括鉻六價(jià)離子、汞離子、鎳離子等在內(nèi)的各種金屬離子都有良好的去除作用，原始重金屬離子含量為Cr2O72-30.7ppm、Hg2+15.0ppm、Ni2+8.8ppm、Cu2+5.6ppm、Cd2+15.8ppm、Pb2+20ppm的1升廢液經(jīng)此產(chǎn)品10克處理2小時(shí)，重金屬離子濃度測(cè)定結(jié)果是Cr2O72-0.35ppm、Hg2+0.16ppm、Ni2+0.9ppm、Cu2+低于0.1ppm、Cd2+0.34ppm、Pb2+0.4ppm實(shí)施例三材料中活性炭的比例為90wt.％，羥基磷灰石的比例為10wt.％。材料的比表面積為800平方米/克。材料的形狀為圓柱體顆粒，截面半徑為10mm，高度為20mm。本材料對(duì)包括鉻六價(jià)離子、汞離子、鎳離子等在內(nèi)的各種金屬離子都有良好的去除作用，原始重金屬離子含量為Cr2O72-30.2ppm、Hg2+25.6ppm、Ni2+10ppm、Cu2+5.0ppm、Cd2+16ppm的1升廢液經(jīng)此產(chǎn)品10克處理1小時(shí)后，重金屬離子濃度測(cè)定結(jié)果是Cr2O72-0.68ppm、Hg2+0.30ppm、Ni2+1.25ppm、Cu2+0.18ppm、Cd2+0.60ppm。
實(shí)施例四材料中活性炭的比例為60wt.％，羥基磷灰石的比例為40％wt.％。材料的比表面積為680平方米/克。材料的形狀為圓柱體顆粒，截面半徑為5mm，高度為10mm。本材料對(duì)包括鉻六價(jià)離子、汞離子、鎳離子等在內(nèi)的各種金屬離子都有良好的去除作用，原始重金屬離子含量為Cr2O72-30.2ppm、Hg2+25.6ppm、Ni2+10ppm、Cu2+5.0ppm、Cd2+16ppm的1升廢液經(jīng)此產(chǎn)品10克處理1小時(shí)后，重金屬離子濃度測(cè)定結(jié)果是Cr2O72-0.68ppm、Hg2+0.30ppm、Ni2+1.25ppm、Cu2+0.18ppm、Cd2+0.60ppm。
實(shí)施例五材料中活性炭的比例為20wt.％，羥基磷灰石的比例為80wt.％。材料的比表面積為430平方米/克。材料的形狀為球形顆粒，球半徑為3mm。本材料對(duì)包括鉻六價(jià)離子、汞離子、鎳離子等在內(nèi)的各種金屬離子都有良好的去除作用，原始重金屬離子含量為Cr2O72-30.7ppm、Hg2+15.0ppm、Ni2+8.8ppm、Cu2+5.6ppm、Cd2+15.8ppm、Pb2+20ppm的1升廢液經(jīng)此產(chǎn)品10克處理2小時(shí)后，重金屬離子濃度測(cè)定結(jié)果是Cr2O72-0.68ppm、Hg2+0.30ppm、Ni2+1.25ppm、Cu2+0.18ppm、Cd2+0.60ppm、Pb2+0.5ppm實(shí)施例六材料中活性炭的比例為20wt.％，羥基磷灰石的比例為80wt.％。材料的比表面積為380平方米/克。材料的形狀為球形顆粒，球半徑為15mm。本材料對(duì)包括鉻六價(jià)離子、汞離子、鎳離子等在內(nèi)的各種金屬離子都有良好的去除作用，原始重金屬離子含量為Cr2O72-30.7ppm、Hg2+15.0ppm、Ni2+8.8ppm、Cu2+5.6ppm、Cd2+15.8ppm、Pb2+20ppm的廢液經(jīng)此產(chǎn)品處理2小時(shí)后，重金屬離子濃度測(cè)定結(jié)果是Cr2O72-0.73ppm、Hg2+0.33ppm、Ni2+1.45ppm、Cu2+0.25ppm、Cd2+0.90ppm、Pb2+0.7ppm實(shí)施例七材料中活性炭的比例為20wt.％，羥基磷灰石的比例為80wt.％。材料的比表面積為406平方米/克。材料的形狀為球形顆粒，球半徑為10mm。本材料對(duì)包括鉻六價(jià)離子、汞離子、鎳離子等在內(nèi)的各種金屬離子都有良好的去除作用，原始重金屬離子含量為Cr2O72-30.7ppm、Hg2+15.0ppm、Ni2+8.8ppm、Cu2+5.6ppm、Cd2+15.8ppm、Pb2+20ppm的廢液經(jīng)此產(chǎn)品處理2小時(shí)后，重金屬離子濃度測(cè)定結(jié)果是Cr2O72-0.70ppm、Hg2+0.28ppm、Ni2+1.24ppm、Cu2+0.22ppm、Cd2+0.76ppm、Pb2+0.58ppm。
權(quán)利要求
1.一種具有重金屬離子脫除功能的復(fù)合材料，其特征在于該復(fù)合材料是由活性炭與羥基磷灰石組成的復(fù)合顆粒，該顆粒的比表面積為200-800平方米/克；其中活性炭為10-90wt％；羥基磷灰石為10-90wt％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有重金屬離子脫除功能的復(fù)合材料，其特征在于所述的復(fù)合顆粒為破碎的不規(guī)則形狀，其包絡(luò)半徑為2mm-12mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有重金屬離子脫除功能的復(fù)合材料，其特征在于所述的復(fù)合顆粒的形狀為圓柱狀，其截面半徑在2mm-10mm，高度在2mm-20mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有重金屬離子脫除功能的復(fù)合材料，其特征在于所述的復(fù)合顆粒的形狀為球體，其球半徑為3mm-15mm。
全文摘要
本發(fā)明涉及的是一種具有重金屬離子脫除功能的復(fù)合材料。本具有重金屬離子脫除功能的復(fù)合材料是由活性炭與羥基磷灰石組成的復(fù)合顆粒，該顆粒的比表面積為200－800平方米/克；其中活性炭為10－90wt％；羥基磷灰石為10－90wt％。本發(fā)明的復(fù)合材料是同時(shí)具有物理吸附和離子交換功能的復(fù)合材料，具有優(yōu)良的重金屬離子去除能力。
文檔編號(hào)C02F1/28GK1778705SQ20051003050
公開(kāi)日2006年5月31日 申請(qǐng)日期2005年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月14日
發(fā)明者李宇, 趙斌元 申請(qǐng)人:上海陸博新材料科技有限公司