專利名稱：一種用于吸附重金屬的納米二氧化鈦的合成方法與應用的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種重金屬吸附劑的制備方法，屬于廢水處理技術領域。 二.
背景技術：
從環(huán)境污染的角度來說，重金屬主要是指具有顯著生物毒性的汞、鉛、鎘、鉻等金 屬和類金屬砷，以及具有一定毒性的銅、鉆、鎳、錫、釩等金屬。近年來，由于各種工業(yè)(如采 礦、冶煉、電鍍等)廢水的不達標排放與固體廢棄物滲出液對水體的污染，致使水體中的重 金屬含量居高不下。目前最引人關注的是汞、鉛、鎘、鉻、銅以及砷等，由于這些重金屬離子 在環(huán)境中只能改變形態(tài)或被轉移、稀釋、積累，卻不能降解，因而對人體健康造成極大的威 脅。幾種常見重金屬及其對人體的危害如下(1)鉛鉛可使人體的神經系統(tǒng)和血液系統(tǒng)遭受破壞，尤以神經系統(tǒng)的破壞最為嚴重，早 期鉛中毒可出現高級神經機能障礙，晚期鉛中毒可造成器質性腦病和神經麻醉。兒童正處 于神經系統(tǒng)發(fā)育完善期，是鉛污染的最大受害者。過量的鉛接觸會造成神經元能量代謝降 低，使兒童的神經發(fā)育指數達不到應有的標準，造成記憶力和思維能力下降，影響智力的發(fā)展。(2)鎘鎘是重金屬元素中對人類健康威脅最大的一種。鎘通過消化道、呼吸道和皮膚直 接接觸進入人體，可造成腎、骨和肝的病變，導致貧血和神經痛。另外，通過影響鈣的代謝， 鎘還會危及骨骼系統(tǒng)，造成骨盆脊柱和四肢關節(jié)疼痛。由于植物對鎘有很強的富集作用，因 而容易形成含鎘糧食，如“鎘米”(含鎘水稻)，20世紀60年代日本流行的“骨痛病”就是由 于長期食用“鎘米”和飲用含鎘水引起的。(3)砷砷中毒是我國常見的一種重金屬中毒。砷在自然水系中主要以無機砷酸鹽 (AsO43-)和亞砷酸鹽(As033_)的形式存在，這兩類砷化物可通過呼吸道、食物或皮膚接觸進 入人體，危害到很多系統(tǒng)的正常功能。例如抑制酶的活性，干擾人體代謝過程，使中樞神經 系統(tǒng)發(fā)生紊亂，引起毛細血管擴張，并最終導致癌癥。(4)銅銅對人體造血、細胞生長、人體某些酶的活動及內分泌腺功能均有影響。若攝取過 量的銅，就會刺激消化系統(tǒng)，還可使血紅蛋白變性，從而影響機體的正常代謝，甚至會誘發(fā) 心血管系統(tǒng)疾病。目前常用的重金屬廢水處理技術主要有化學沉淀法、氧化還原法、離子交換法、吸 附法、膜分離法及生物法等。吸附法由于其成本較低、操作簡便、處理效果好，已經成為國外 小型社區(qū)及家庭處理含有較高濃度重金屬離子的最佳選擇。吸附法常用的吸附劑包括活性 炭、氧化鐵和氧化鈦等。上述吸附材料中氧化鐵雖然可以去除重金屬離子，但其他重金屬的
3去除效率較低，吸附容量也不大；活性炭雖然可以用于各種重金屬的共同去除，但吸附容量 并不理想，而且這兩種吸附劑的共同缺點是使用壽命短，重金屬吸附飽和后再生困難。近年來，二氧化鈦作為新型的催化劑和吸附劑成為材料學、環(huán)境科學的一個研究 熱點。其中納米二氧化鈦由于微粒尺寸小(1 IOOnm)，其表面原子數、表面積、表面能和表 面結合能均大于傳統(tǒng)的二氧化鈦，因此具有一系列物理化學特性和優(yōu)越于傳統(tǒng)材料的特殊 性能。例如，由于納米二氧化鈦的表面原子周圍缺少相鄰的原子，具有不飽和性，易與其它 原子相結合而穩(wěn)定下來，因而具有很好的化學活性，對許多金屬離子具有較強的吸附能力。本發(fā)明以硫酸氧鈦為前驅物，經水解沉淀制得納米二氧化鈦。利用納米二氧化鈦 作為吸附劑實現了對水中Cd2+，Cu2+，Pb2+以及砷酸根離子的吸附，通過一系列吸附試驗，證 明本發(fā)明制備的吸附劑對上述四種離子均具有較高的去除效率。
三.

發(fā)明內容
本發(fā)明提供了一種用于吸附重金屬的納米二氧化鈦的合成方法，與傳統(tǒng)的制備方 法相比，本發(fā)明的納米二氧化鈦制備工藝更簡單，產品吸附效率更高。本發(fā)明將鈦的化合物經溶解、稀釋、調節(jié)pH值及洗滌四個步驟后，得到偏鈦酸的 沉淀，將所得沉淀在一定溫度下烘干磨碎得到二氧化鈦納米粉體。本發(fā)明涉及的納米二氧化鈦重金屬吸附劑的制備方法，其特征如下(1)將反應容器置于冰水環(huán)境中；(2)向反應容器中加入一定量溫度為6 10°C的水；(3)在機械攪拌下，將硫酸氧鈦加入上述水中，形成懸浮液；(4)在攪拌下向上述懸浮液中緩慢加入氫氧化鈉溶液，將PH值調至5. 5 6. 5，其 中以6. O為最佳值；(5)繼續(xù)反應數分鐘，將得到的沉淀物水洗數次，至上清液電導率降到一定要求；(6)將步驟(5)得到的沉淀物過濾干燥后，經研磨、過篩、包裝得到產物一納米二 氧化鈦吸附劑。本發(fā)明得到的納米二氧化鈦比表面積約為196. 4m2/g，是在同等條件下用硫酸鈦 制得的二氧化鈦比表面積(36.4m2/g)的6倍。本發(fā)明制備的納米二氧化鈦吸附劑其重金 屬吸附率達到了 90%以上，吸附劑再生簡單，可以重復利用。
四.


圖1是納米二氧化鈦吸附劑的X射線衍射圖(XRPD)。分析譜圖中特征峰的位置可 以得出，本方法合成出的二氧化鈦主要是銳鈦礦晶相，用謝樂公式計算得到其晶粒大小約 為5 IOnm0圖2和圖3是納米二氧化鈦吸附劑的掃描電鏡(SEM)照片以及能譜分析圖(EDX)。 由SEM圖可知本方法合成的二氧化鈦呈不規(guī)則狀態(tài)，這樣就具有更大的比表面積和孔隙結 構，更利于吸附作用。由EDX結果分析可得，產物基本不含其他雜質，為比較純凈的二氧化 鈦。圖4是納米二氧化鈦吸附劑的透射電鏡(TEM)照片。由TEM圖可以看出二氧化鈦 顆粒粒徑小于50nm，比謝樂公式得到的粒徑要大一些，這是由于納米顆粒的團聚作用造成的。圖5是納米二氧化鈦吸附劑對某礦外排水樣中As043-的吸附曲線，圖中C；為平衡 時As(V)濃度，Ctl為初始時As (V)的濃度(3.28g/L)。由圖5可以看出，當納米二氧化鈦吸 附劑用量為30g/L時，吸附劑對水樣中As (V)的去除率即可以達到90%以上，吸附容量在 131mg/g左右。實驗結果同時說明PH值對吸附過程并無影響。
五.
具體實施例方式1.本發(fā)明的重金屬吸附劑的制備方法如下(1)將反應容器置于冰水浴中；(2)向反應容器中加入水，控制其溫度在6 10°C之間；(3)在攪拌下加入硫酸氧鈦，均勻溶解；(4)在高速攪拌下逐滴加入氫氧化鈉溶液，調節(jié)溶液pH值至5. 5 6. 5，最佳值為 6.0，繼續(xù)反應數分鐘，將得到的沉淀物水洗、過濾數次至電導率在IOOys以下，以除去硫 酸根；(5)將濾餅在低于60°C干燥后，粉碎過篩包裝得到產物納米二氧化鈦吸附劑。實施例1將體積為IOL的反應容器置于冰水環(huán)境中，加入去離子水1600mL，水溫保持在6 10°c，取硫酸氧鈦300g緩慢加入去離子水中，攪拌均勻后，用恒流泵以每分鐘10毫升的速 度滴加濃度為IOM的氫氧化鈉溶液，調節(jié)pH值至5. 9。將上述溶液用去離子水洗滌數次至 電導率降到76μ s，過濾后的沉淀物在60°C烘干粉碎過篩得到IlOg產品。實施例2將體積為2L的反應容器置于冰水環(huán)境中，加入去離子水250mL，水溫保持在6 8°C，取硫酸氧鈦50g緩慢加入去離子水中，攪拌均勻后，用恒流泵以每分鐘10毫升的速度 加入濃度為5M的氫氧化鈉溶液。待pH達到3. 0 3. 5時，提高攪拌速度，并降低氫氧化鈉 溶液的滴加速度以控制PH值，調節(jié)最終pH值為6.0。將上述溶液加水洗滌數次至電導率降 到64 μ s，將過濾后得到的沉淀在60°C烘干粉碎過篩，制得22g產品。實施例3將體積為5L的反應容器置于冰水環(huán)境中，加入去離子水500毫升，使水溫保持在 6 8°C，取硫酸氧鈦IOOg緩慢加入去離子水中，攪拌均勻后，用恒流泵以每分鐘10毫升 的速度持續(xù)加入濃度為5M的氫氧化鈉溶液。待pH達到3. 0 3. 5時，將攪拌速度提高至 600rpm，調節(jié)最終pH值為5. 9。將上述溶液加水洗滌數次至電導率降到89 μ s，過濾后的沉 淀在60°C烘干粉碎過篩得到產品40g。2.驗證本發(fā)明重金屬吸附劑的吸附效果取1. 5g上述3次實施例制得的納米二氧化鈦吸附劑于3個IOOmL塑料瓶中。取 某礦外排水樣(含有各種重金屬離子)500mL，調節(jié)pH值至6. 0，分別移取50mL加入上述3 個塑料瓶中，置于旋轉培養(yǎng)器上轉動2h，轉速為40rpm。最終吸附結果見表1，經分析三個批 次的二氧化鈦對該礦水樣的吸附率均在90%以上，去除效率高，吸附試驗結果充分說明該 吸附劑制備方法可重復，吸附劑的吸附容量高。表 權利要求
1.一種用于吸附重金屬的納米二氧化鈦的合成方法，其特征在于(1)將反應容器置于冰水浴中，加入去離子水；(2)將硫酸氧鈦加入上述去離子水中，攪拌成懸浮液；(3)攪拌過程中逐滴加入氫氧化鈉溶液，將pH值調至5.5 6. 5之間；(4)繼續(xù)反應數分鐘，將所得沉淀水洗數次，至上清液電導率降到要求程度；(5)將沉淀過濾干燥后，直接粉碎過篩包裝得到納米二氧化鈦。
2.如權利要求書1所述的一種用于吸附重金屬的納米二氧化鈦的合成方法，在加硫酸 氧鈦前去離子水溫度需保持在6 10°C之間。
3.如權利要求書1所述的一種用于吸附重金屬的納米二氧化鈦的合成方法，去離子水 與硫酸氧鈦的質量比為5 1。
4.如權利要求書1所述的一種用于吸附重金屬的納米二氧化鈦的合成方法，用氫氧化 鈉調節(jié)PH到所需值時應繼續(xù)反應數分鐘，之后用去離子水洗滌。
5.如權利要求書1所述的一種用于吸附重金屬的納米二氧化鈦的合成方法，沉淀需經 水洗數次，至上清液電導率小于100 μ S。
6.如權利要求書1所述的一種用于吸附重金屬的納米二氧化鈦的合成方法，沉淀經過 濾后，需在60°C下干燥。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于吸附重金屬的納米二氧化鈦的合成方法與應用。本發(fā)明將硫酸氧鈦在一定量的水中經溶解稀釋、pH調整及洗滌，得到偏鈦酸的沉淀，固液分離后將沉淀在一定溫度下烘干磨碎過篩得到納米二氧化鈦吸附劑。經吸附實驗證明該吸附劑對溶液中的Pb2+，Cd2+，Cu2+，AsO43-等重金屬離子具有較強的吸附能力，可用于含高濃度重金屬廢水的處理凈化。
文檔編號C02F101/20GK102078792SQ20091023850
公開日2011年6月1日 申請日期2009年11月27日 優(yōu)先權日2009年11月27日
發(fā)明者崔金立, 景傳勇, 羅婷 申請人:中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心