一种偏硅酸钠改性埃洛石粉及其制备方法和应用

摘要

本发明公开了一种偏硅酸钠改性埃洛石粉及其制备方法和应用。本发明的偏硅酸钠改性埃洛石粉的制备方法包括以下步骤：将埃洛石粉和偏硅酸钠分散在水中制成悬浮液，再进行水热反应，分离出固体产物，即得偏硅酸钠改性埃洛石粉。本发明的偏硅酸钠改性埃洛石粉对于Cd(II)、Pb(II)、Cr(III)等重金属的吸附容量大、吸附效果好，且其制备过程简单、原料价廉易得、制备与应用过程清洁环保，适合进行大规模工业化应用。

说明书

技术领域

本发明涉及重金属污染废水治理技术领域，具体涉及一种偏硅酸钠改性埃洛石粉及其制备方法和应用。

背景技术

进入21世纪以来，在社会工业化、城市化和现代化进程中，水环境的污染和破坏日益严重。在各类水污染中，重金属污染的形势最为严峻，已经成为了世界瞩目的焦点问题。Pb(II)、Cd(II)、Cr(III)等重金属污染物具有致癌致毒性，进入水体后可以经由食物链在人体内富集，最终会危害人类身体健康和破坏生态平衡。在众多的重金属污染治理方法中，吸附法因为具有成本低、见效快、易操作等优点，被认为是最具应用潜力的重金属污染废水治理技术。吸附法的关键在于吸附剂，而现有的吸附剂普遍存在吸附容量较小、制备成本高、对环境有害等问题，尚难以完全满足实际应用需求。

因此，开发一种吸附容量大、制备简单、成本低、安全环保的重金属吸附剂具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种偏硅酸钠改性埃洛石粉及其制备方法和应用。

本发明所采取的技术方案是：

一种偏硅酸钠改性埃洛石粉的制备方法包括以下步骤：将埃洛石粉和偏硅酸钠分散在水中制成悬浮液，再进行水热反应，分离出固体产物，即得偏硅酸钠改性埃洛石粉。

优选的，一种偏硅酸钠改性埃洛石粉的制备方法包括以下步骤：将埃洛石粉的水分散液加入偏硅酸钠水溶液中，混合均匀制成悬浮液，再进行水热反应，离心，取离心得到的固体进行水洗和干燥，即得偏硅酸钠改性埃洛石粉。

优选的，所述埃洛石粉、偏硅酸钠的质量比为1:0.25～4。

优选的，所述埃洛石粉的粒径小于75μm。

优选的，所述埃洛石粉的水分散液的加入方式为滴加。

优选的，所述悬浮液中埃洛石粉的质量分数为2％～5％，偏硅酸钠的质量分数为5％～15％。

优选的，所述水热反应在120℃～180℃下进行，反应时间为24h～48h。

优选的，所述水热反应在聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中进行。

优选的，所述离心在离心机转速为4000rpm～7000rpm的条件下进行，离心时间为5min～10min。

优选的，所述干燥的方式为冷冻干燥，干燥温度为-40℃～-60℃，干燥时间为24h～48h。

一种偏硅酸钠改性埃洛石粉，其由上述制备方法制成。

一种重金属污染废水治理方法包括以下步骤：将上述偏硅酸钠改性埃洛石粉加入重金属污染废水中进行重金属的吸附。

优选的，所述重金属为铅、镉、铬中的至少一种。

本发明的有益效果是：本发明的偏硅酸钠改性埃洛石粉对于Cd(II)、Pb(II)、Cr(III)等重金属的吸附容量大、吸附效果好，且其制备过程简单、原料价廉易得、制备与应用过程清洁环保，适合进行大规模工业化应用。

具体来说：

1)本发明的偏硅酸钠改性埃洛石粉可以用于吸附Pb(II)、Cd(II)、Cr(III)等重金属，吸附容量大，吸附效果好，适合用于重金属污染废水的处理，应用前景广阔；

2)本发明的偏硅酸钠改性埃洛石粉的主要制备原料为天然埃洛石，其来源广泛、价格低廉，降低了生产成本；

3)本发明的偏硅酸钠改性埃洛石粉的制备过程简单、过程容易控制、无需特殊专用设备、无需采用有毒有害的原料，在治理重金属污染废水领域具有很好的应用前景。

附图说明

图1为埃洛石粉、水热改性埃洛石粉和偏硅酸钠改性埃洛石粉1～4的XRD图。

图2为埃洛石粉、水热改性埃洛石粉和偏硅酸钠改性埃洛石粉1～4的SEM图。

图3为埃洛石粉和偏硅酸钠改性埃洛石粉4的TEM图及晶格条纹图。

图4为实施例1中的埃洛石粉和偏硅酸钠改性埃洛石粉对Pb(II)、Cd(II)和Cr(III)的吸附动力学曲线。

图5为实施例1的偏硅酸钠改性埃洛石粉在不同pH下对Pb(II)、Cd(II)和Cr(III)的吸附效果测试结果图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的解释和说明。

实施例1：

一种偏硅酸钠改性埃洛石粉，其制备方法包括以下步骤：

1)将1.0g经研磨并过200目筛的埃洛石粉加入20mL的去离子水中，搅拌30min，得到埃洛石粉水分散液；

2)将1.0g的偏硅酸钠加入30mL的去离子水中，搅拌30min，得到偏硅酸钠水溶液；

3)将埃洛石粉水分散液通过恒流泵滴加到偏硅酸钠溶液中，加完后搅拌20min，得到悬浮液；

4)将悬浮液转入聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，180℃反应24h，自然冷却至室温，再将反应液加入离心机，调节离心机的转速至7000rpm，离心5min，再将离心得到的固体加水分散后重新进行离心，重复6次，再将离心得到的固体置于-60℃下抽真空干燥24h，研磨，过200目筛，即得偏硅酸钠改性埃洛石粉。

性能测试：

1)参照本实施例的方法，调整埃洛石粉和偏硅酸钠的质量比(1:0、1:1、1:2、1:3和1:4)，分别得到水热改性埃洛石粉和偏硅酸钠改性埃洛石粉1～4，再对埃洛石粉、水热改性埃洛石粉和偏硅酸钠改性埃洛石粉1～4进行X射线衍射(XRD)测试，得到的XRD图如图1所示，埃洛石粉、水热改性埃洛石粉和偏硅酸钠改性埃洛石粉1～4的扫描电镜(SEM)图如图2所示，埃洛石粉和偏硅酸钠改性埃洛石粉4的透射电镜(TEM)图及晶格条纹图如图3所示。

由图1可知：偏硅酸钠改性埃洛石粉1～4可以显示出埃洛石粉主要的特征吸收峰，而在60°、54°、29°、26°、20°、18°、12°和9°处的特征峰均发生了明显变化，说明偏硅酸钠改性埃洛石粉成功。

由图2可知：埃洛石粉的形貌为均匀的空心管状结构，通过调控偏硅酸钠的比例，空心管的管口处开始出现小球状聚合体，总体形貌呈金针菇状，而结合XRD分析可知这些聚合体是地开石，最终埃洛石完全转化成地开石。

由图3可知：埃洛石的空心管在转化过程中，管状结构逐渐打开成层状，最终形成地开石。

2)将硝酸镉、硝酸铬和硝酸铅溶解于蒸馏水中，配制浓度分别为40mg/L、40mg/L和100mg/L的Cd(II)溶液、Cr(III)溶液和Pb(II)溶液，分别称取0.1g实施例1中的埃洛石粉和偏硅酸钠改性埃洛石粉于锥形瓶中，移取100mL的Cd(II)溶液、Cr(III)溶液和Pb(II)溶液，充分混合后置于多通道搅拌器上分别搅拌60min、120min、240min、480min、960min和1200min，取上清液用原子吸收测定溶总Cd(II)、Cr(III)和Pb(II)的浓度，实施例1中的埃洛石粉和偏硅酸钠改性埃洛石粉对Pb(II)、Cd(II)和Cr(III)的吸附动力学曲线如图4(a为埃洛石粉和偏硅酸钠改性埃洛石粉对Pb(II)的吸附动力学曲线，b为埃洛石粉和偏硅酸钠改性埃洛石粉对Cr(III)的吸附动力学曲线，c为埃洛石粉和偏硅酸钠改性埃洛石粉对Cd(II)的吸附动力学曲线)所示。

由图4可知：偏硅酸钠改性埃洛石粉对Cd(II)、Cr(III)和Pb(II)的吸附量与埃洛石粉相比有较大的提高。

3)将硝酸镉、硝酸铬和硝酸铅溶解于蒸馏水中，配制浓度分别为40mg/L、40mg/L和100mg/L的Cd(II)溶液、Cr(III)溶液和Pb(II)溶液，分别称取0.1g实施例1的偏硅酸钠改性埃洛石粉于锥形瓶中，移取100mL的Cd(II)溶液、Cr(III)溶液和Pb(II)溶液，充分混合后分别用浓度为0.1mol/L的盐酸和浓度为0.1mol/L的NaOH溶液调节混合液的pH至3、5、6、7和8，3、5、6、7和8，2、3、4、5和6，再置于振荡器中，30℃水浴中振荡24h，取上清液用原子吸收测定溶液中总Cd(II)、Cr(III)和Pb(II)的浓度，实施例1的偏硅酸钠改性埃洛石粉在不同pH下对Pb(II)、Cd(II)和Cr(III)的吸附效果测试结果图如图5(a为Pb(II)的吸附效果测试结果图，b为Cd(II)的吸附效果测试结果图，c为Cr(III)的吸附效果测试结果图)所示。

由图5可知：偏硅酸钠改性埃洛石粉在pH为3～8的范围内对Pb(II)、Cd(II)和Cr(III)都具有良好的吸附效果，说明其具有很广泛的适用范围，可以适应复杂的地理环境因素。

4)将硝酸镉溶解于蒸馏水中，配制浓度为40mg/L的Cd(II)溶液，分别称取0.10g实施例1中的埃洛石粉和偏硅酸钠改性埃洛石粉于锥形瓶中，再移取100mL配制好的Cd(II)溶液，充分混合后置于搅拌器上搅拌60min、120min、240min、480min、960min和1200min，分别取上清液用原子吸收测定溶液中总Cd(II)的浓度。

测试发现，偏硅酸钠改性埃洛石粉吸附平衡后Cd(II)浓度为0.11mg/L，对Cd(II)的去除率高达99.73％，而埃洛石粉吸附平衡后Cd(II)浓度为36.31mg/L，对Cd(II)的去除率仅9.23％，说明偏硅酸钠改性埃洛石粉对Cd(II)的去除率较埃洛石粉有了大幅度的提高，表现出很好的吸附效果。

实施例2：

一种偏硅酸钠改性埃洛石粉，其制备方法包括以下步骤：

1)将1.0g经研磨并过200目筛的埃洛石粉加入20mL的去离子水中，搅拌30min，得到埃洛石粉水分散液；

2)将0.5g的偏硅酸钠加入30mL的去离子水中，搅拌30min，得到偏硅酸钠水溶液；

3)将埃洛石粉水分散液通过恒流泵滴加到偏硅酸钠溶液中，加完后搅拌20min，得到悬浮液；

4)将悬浮液转入聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，180℃反应24h，自然冷却至室温，再将反应液加入离心机，调节离心机的转速至7000rpm，离心5min，再将离心得到的固体加水分散后重新进行离心，重复6次，再将离心得到的固体置于-60℃下抽真空干燥24h，研磨，过200目筛，即得偏硅酸钠改性埃洛石粉。

性能测试：

1)经测试(XRD、SEM和TEM)，实施例2的偏硅酸钠改性埃洛石粉的微观形貌和实施例1的偏硅酸钠改性埃洛石粉高度接近。

2)将硝酸铬溶解于蒸馏水中，配制浓度为40mg/L的Cr(III)溶液，分别称取0.10g实施例2中的埃洛石粉和偏硅酸钠改性埃洛石粉于锥形瓶中，再移取100mL配制好的Cr(III)溶液，充分混合后置于搅拌器上搅拌60min、120min、240min、480min、960min和1200min，分别取上清液用原子吸收测定溶液中总Cr(III)的浓度。

测试发现，偏硅酸钠改性埃洛石粉吸附平衡后Cr(III)浓度为0.06mg/L，对Cr(III)的去除率高达99.85％，而埃洛石粉吸附平衡后Cr(III)浓度为38.24mg/L，对Cr(III)的去除率仅4.40％，说明偏硅酸钠改性埃洛石粉对Cr(III)的去除率较埃洛石粉有了大幅度的提高，表现出很好的吸附效果。

实施例3：

一种偏硅酸钠改性埃洛石粉，其制备方法包括以下步骤：

1)将1.0g经研磨并过200目筛的埃洛石粉加入20mL的去离子水中，搅拌30min，得到埃洛石粉水分散液；

2)将0.33g的偏硅酸钠加入30mL的去离子水中，搅拌30min，得到偏硅酸钠水溶液；

3)将埃洛石粉水分散液通过恒流泵滴加到偏硅酸钠溶液中，加完后搅拌20min，得到悬浮液；

4)将悬浮液转入聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，180℃反应24h，自然冷却至室温，再将反应液加入离心机，调节离心机的转速至7000rpm，离心5min，再将离心得到的固体加水分散后重新进行离心，重复6次，再将离心得到的固体置于-60℃下抽真空干燥24h，研磨，过200目筛，即得偏硅酸钠改性埃洛石粉。

性能测试：

1)经测试(XRD、SEM和TEM)，实施例3的偏硅酸钠改性埃洛石粉的微观形貌和实施例1的偏硅酸钠改性埃洛石粉高度接近。

2)将硝酸铅溶解于蒸馏水中，配制浓度为100mg/L的Pb(II)溶液，分别称取0.10g实施例3中的埃洛石粉和偏硅酸钠改性埃洛石粉于锥形瓶中，再移取100mL配制好的Pb(II)溶液，充分混合后置于搅拌器上搅拌60min、120min、240min、480min、960min和1200min，分别取上清液用原子吸收测定溶液中总Pb(II)的浓度。

测试发现，偏硅酸钠改性埃洛石粉吸附平衡后Pb(II)浓度为0.162mg/L，对Pb(II)的去除率高达99.84％，而埃洛石粉吸附平衡后Pb(II)浓度为96.18mg/L，对Pb(II)的去除率仅3.82％，说明偏硅酸钠改性埃洛石粉对Pb(II)的去除率较埃洛石粉有了大幅度的提高，表现出很好的吸附效果。

实施例4：

一种偏硅酸钠改性埃洛石粉，其制备方法包括以下步骤：

1)将1.0g经研磨并过200目筛的埃洛石粉加入20mL的去离子水中，搅拌30min，得到埃洛石粉水分散液；

2)将0.25g的偏硅酸钠加入30mL的去离子水中，搅拌30min，得到偏硅酸钠水溶液；

3)将埃洛石粉水分散液通过恒流泵滴加到偏硅酸钠溶液中，加完后搅拌20min，得到悬浮液；

4)将悬浮液转入聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，180℃反应24h，自然冷却至室温，再将反应液加入离心机，调节离心机的转速至7000rpm，离心5min，再将离心得到的固体加水分散后重新进行离心，重复6次，再将离心得到的固体置于-60℃下抽真空干燥24h，研磨，过200目筛，即得偏硅酸钠改性埃洛石粉。

性能测试：

1)经测试(XRD、SEM和TEM)，实施例4的偏硅酸钠改性埃洛石粉的微观形貌和实施例1的偏硅酸钠改性埃洛石粉高度接近。

2)将硝酸镉溶解于蒸馏水中，配制浓度为40mg/L的Cd(II)溶液，分别称取0.10g实施例4中的埃洛石粉和偏硅酸钠改性埃洛石粉于锥形瓶中，再移取100mL配制好的Cd(II)溶液，充分混合后置于搅拌器上搅拌60min、120min、240min、480min、960min和1200min，分别取上清液用原子吸收测定溶液中总Cd(II)的浓度。

测试发现，偏硅酸钠改性埃洛石粉吸附平衡后Cd(II)浓度为0.18mg/L，对Cd(II)的去除率高达99.55％，而埃洛石粉吸附平衡后Cd(II)浓度为36.31mg/L，对Cd(II)的去除率仅9.23％，说明偏硅酸钠改性埃洛石粉对Cd(II)的去除率较埃洛石粉有了大幅度的提高，表现出很好的吸附效果。

实施例5：

一种偏硅酸钠改性埃洛石粉，其制备方法包括以下步骤：

1)将1.0g经研磨并过200目筛的埃洛石粉加入20mL的去离子水中，搅拌30min，得到埃洛石粉水分散液；

2)将1.5g的偏硅酸钠加入30mL的去离子水中，搅拌30min，得到偏硅酸钠水溶液；

3)将埃洛石粉水分散液通过恒流泵滴加到偏硅酸钠溶液中，加完后搅拌20min，得到悬浮液；

4)将悬浮液转入聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，180℃反应24h，自然冷却至室温，再将反应液加入离心机，调节离心机的转速至7000rpm，离心5min，再将离心得到的固体加水分散后重新进行离心，重复6次，再将离心得到的固体置于-60℃下抽真空干燥24h，研磨，过200目筛，即得偏硅酸钠改性埃洛石粉。

性能测试：

1)经测试(XRD、SEM和TEM)，实施例5的偏硅酸钠改性埃洛石粉的微观形貌和实施例1的偏硅酸钠改性埃洛石粉高度接近。

2)将硝酸铬溶解于蒸馏水中，配制浓度为40mg/L的Cr(III)溶液，分别称取0.10g实施例5中的埃洛石粉和偏硅酸钠改性埃洛石粉于锥形瓶中，再移取100mL配制好的Cr(III)溶液，充分混合后置于搅拌器上搅拌60min、120min、240min、480min、960min和1200min，分别取上清液用原子吸收测定溶液中总Cr(III)的浓度。

测试发现，偏硅酸钠改性埃洛石粉吸附平衡后Cr(III)浓度为0.17mg/L，对Cr(III)的去除率高达99.58％，而埃洛石粉吸附平衡后Cr(III)浓度为38.24mg/L，对Cr(III)的去除率仅4.40％，说明偏硅酸钠改性埃洛石粉对Cr(III)的去除率较埃洛石粉有了大幅度的提高，表现出很好的吸附效果。

实施例6：

一种偏硅酸钠改性埃洛石粉，其制备方法包括以下步骤：

1)将1.0g经研磨并过200目筛的埃洛石粉加入20mL的去离子水中，搅拌30min，得到埃洛石粉水分散液；

2)将2.0g的偏硅酸钠加入30mL的去离子水中，搅拌30min，得到偏硅酸钠水溶液；

3)将埃洛石粉水分散液通过恒流泵滴加到偏硅酸钠溶液中，加完后搅拌20min，得到悬浮液；

4)将悬浮液转入聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，180℃反应24h，自然冷却至室温，再将反应液加入离心机，调节离心机的转速至7000rpm，离心5min，再将离心得到的固体加水分散后重新进行离心，重复6次，再将离心得到的固体置于-60℃下抽真空干燥24h，研磨，过200目筛，即得偏硅酸钠改性埃洛石粉。

性能测试：

1)经测试(XRD、SEM和TEM)，实施例6的偏硅酸钠改性埃洛石粉的微观形貌和实施例1的偏硅酸钠改性埃洛石粉高度接近。

2)将硝酸铅溶解于蒸馏水中，配制浓度为100mg/L的Pb(II)溶液，分别称取0.10g实施例6中的埃洛石粉和偏硅酸钠改性埃洛石粉于锥形瓶中，再移取100mL配制好的Pb(II)溶液，充分混合后置于搅拌器上搅拌60min、120min、240min、480min、960min和1200min，分别取上清液用原子吸收测定溶液中总Pb(II)的浓度。

测试发现，偏硅酸钠改性埃洛石粉吸附平衡后Pb(II)浓度为0.29mg/L，对Pb(II)的去除率高达99.71％，而埃洛石粉吸附平衡后Pb(II)浓度为96.18mg/L，对Pb(II)的去除率仅3.82％，说明偏硅酸钠改性埃洛石粉对Pb(II)的去除率较埃洛石粉有了大幅度的提高，表现出很好的吸附效果。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。