一种重金属离子吸附材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种重金属离子吸附材料及其制备方法，具体涉及一种以医废炉渣为主要材料制备重金属离子吸附材料的方法，属于属于固废资源化利用技术领域。

背景技术

随着科技水平的提高，我国工业得到了迅猛发展，这使得人们的生活水平得到了不断提升，但是工业的发展也对我国生态环境造成了压力：未经处理直接排入自然环境的工业废水量越来越大，破坏了水体自净能力，导致水体重金属污染物含量严重超标，对水生生物的生命以及农业生产造成危害。因此，水体重金属污染问题不容忽视。

上海硅酸盐研究所黄富强课题组经过多年技术攻关，发明了一种高效的重金属离子吸附材料：非晶磷酸化氧化钛(FAPTO)(申请号：201710452750.6)，该材料对水体中的重金属离子吸附效率高达99％以上，但是该材料为多孔材料，松装密度极低，在自然水体中单独使用容易漂散从而影响重金属离子的收集。

发明内容

为了使FAPTO能有效地吸附和收集水体中重金属离子，本发明将非晶磷酸化氧化钛嵌入并固定在具有一定强度的透水多孔材料的空隙中，提供了一种重金属离子吸附材料及其制备方法。

一方面，本发明提供了一种重金属离子吸附材料，包括：多孔有机复合基体，以及分布在多孔有机复合基体的孔径中的非晶TiPO吸附剂；所述多孔有机复合基体是由医废炉渣和无机胶凝材料固化后得到，所述医废炉渣为金属氧化物或/和碳酸盐；优选地，所述非晶TiPO吸附剂的含量占重金属离子吸附材料总质量的0.5～3wt％。

在本发明中，医废炉渣的主要成分为无机非金属材料(金属氧化物或/和碳酸盐，例如氧化铝、氧化铁、氧化硅、氧化镁和碳酸钙等)，不属于危险废物，具有很大的资源化利用潜力。炉渣经过高温处理，化学性质稳定且不溶于水，是一种较好的制备多孔材料的原料。我们以炉渣为主要原料制备高强度透水多孔材料，不仅能使FAPTO有效地发挥吸附和收集重金属离子的作用，还可以有效地利用医废炉渣，达到变废为宝的目的。

较佳的，所述无机胶凝材料为水泥；所述无机胶凝材料和医废炉渣的质量比为的(1～5)：1。

较佳的，所述重金属离子吸附材料的孔隙率为30％～50％，优选为40％。

较佳的，所述孔径的大小为500μm～3mm，优选为1mm～3mm。

较佳的，所述非晶TiPO吸附剂是由非晶TiPO颗粒组成；所述非晶TiPO颗粒的粒径为100nm～5μm。

较佳的，所述重金属离子吸附材料的强度为10～35MPa。

另一方面，本发明提供了一种重金属离子吸附材料的制备方法，包括：

(1)将医废炉渣和无机胶凝材料加水进行混合，制成膏状原料；

(2)将非晶TiPO吸附剂和所得膏状原料进行混合，然后放在空气中硬化14～28天，得到所述重金属离子吸附材料。

较佳的，所述非晶TiPO吸附剂的质量为膏状原料的5％～20wt％。

较佳的，所述水的质量为医废炉渣和无机胶凝材料总质量的10wt％～30wt％。

再一方面，本发明提供了一种重金属离子吸附材料的制备方法，包括：

(1)将医废炉渣和无机胶凝材料加水进行混合，制成膏状原料；

(2)将非晶TiPO吸附剂和有机包覆材料混合，在80℃～100℃下熔化并搅拌20分钟～60分钟，待冷却后进行破碎和筛分，得到40～80目的有机粉末；

(3)将有机粉末和所得膏状原料进行混合，放在空气中硬化14～28天后，浸入有机溶液中以去除有机包覆材料，再经洗涤和干燥，得到所述重金属离子吸附材料。加入有机包覆材料，可以保护FAPTO的功能基团，使其在无机胶凝材料在硬化过程中不被改变或破坏，另外有机包覆材料也是有效的造孔材料，其被有机溶剂溶解后会形成孔洞，这种结构会增加FAPTO对重金属离子的吸附效率。

较佳的，所述水的质量为医废炉渣和无机胶凝材料总质量的10wt％～30wt％。

较佳的，步骤(2)中，所述有机包覆材料选自石蜡、微晶石蜡和蜂蜡中的至少一种；优选地，所述有机包覆材料的质量为非晶TiPO吸附剂质量的10～20倍。

较佳的，所述有机粉末的质量为膏状原料的5％～20wt％。

较佳的，步骤(3)中，所述有机溶剂为乙醚、航空煤油、正己烷、正庚烷和三溴丙烷中的至少一种；所述有机溶剂的质量为硬化后复合材料的1～10倍，浸泡的时间4～12小时。

有益效果：

本发明涉及一种以医废炉渣为主要原料制备重金属离子吸附材料的制备方法，包括：将具有高效重金属离子吸附性能的FAPTO进行有机包覆，然后将经过包覆的有机颗粒以及处理后的医废炉渣粉体复合在多孔无机胶凝材料中，成型后将多孔无机胶凝材料浸泡在有机溶剂中，将FAPTO表面的有机蜡膜溶解，然后在烘箱中将有机溶剂烘干，即制备出可以使用的具有重金属离子吸附性能的材料。

附图说明

具体实施方式

以下通过下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

本公开中，选择医废炉渣为主要原料制备重金属离子吸附材料的制备方法。

以下示例性地说明重金属离子吸附材料的制备方法。

非晶TiPO吸附剂(FAPTO)的制备过程参照在先专利(申请号201710452750.6)。

将具有高效重金属离子吸附性能的FAPTO的表面进行有机包覆，然后破碎成有机颗粒。用于包覆的主要有机物(有机包覆材料)为石蜡、微晶石蜡、蜂蜡中的一种或多种。包覆的有机物的质量为吸附剂质量的10～20倍。其中有机物包覆材料少了，包覆效果不好，太多了复合材料中的FAPTO太少，影响样品的吸附效率。

作为以实力，将有机包覆材料在在80℃～100℃条件下熔化，然后将非晶TiPO吸附剂加入熔化的有机物中，搅拌20min～60min，待冷却后将混合物打碎，通过筛分获取40-80目的有机粉末。

将一定比例的医废炉渣和无机胶凝材料加水进行混合，制成膏状原料。所使用的无机胶凝材料为水泥。炉渣为经破碎后过60目筛网过筛的粉体。水泥的质量可为医废炉渣质量的1～5倍。水的质量为医废炉渣和无机胶凝材料总质量的10wt％～30wt％。水、医废炉渣和无机胶凝材料三者混合后继续在搅拌机中搅拌5～20min。

将有机粉末和膏状原料进行混合，得到浆料。有机颗粒的质量为膏状原料质量的5％～20％，两者在搅拌器中搅拌10～30min。或者，将非晶TiPO吸附剂和膏状原料直接进行混合，得到浆料。非晶TiPO吸附剂的质量为膏状原料质量的5％～20％，两者在搅拌器中搅拌10-30min

将混合的浆料放在空气中硬化14～28天。

将硬化后的材料放在有机溶剂中浸泡、洗涤。再将洗涤好的材料放在烘箱中烘干处理，即得到具有重金属离子吸附性能的材料。所使用的有机溶剂为乙醚、航空煤油、正己烷、正庚烷或三溴丙烷中的一种或数种，有机溶剂的质量为复合材料的1～10倍，浸泡时间4～12h。洗涤的次数可为3～5次。烘干的温度可为80～100℃，烘干时长可为2～10h。

下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。

实施例1

1)称取50克58号半精炼石蜡，置于加热的烧杯中在100℃的条件下熔化，然后加入3.0克FAPTO，搅拌30min；

2)将混合物冷却，使用分散盘破碎，将破碎得到的粉末过40和80目筛，取粒径范围在40-80目之间的部分；

3)将医废炉渣球磨破碎，过60目筛，称取筛分后的炉渣30克，然后称量30克水泥，将炉渣和水泥混合后加入10克水搅拌均匀；

4)取步骤2)中制备的有机颗粒5克，将有机颗粒和步骤3中得到的膏状无机混合物在搅拌器中搅拌10-30min；

5)将步骤4)中制备的混合物放于塑料模具中，震实后密封放置14天；

6)将步骤5)中制备的具有较高强度的块体材料放在正庚烷中浸泡，正庚烷的质量为100克，浸泡时间4h；

7)取出步骤6)中经过正庚烷刻蚀的材料，用纯的正庚烷溶剂洗涤3次；

8)将步骤7)中经过洗涤的材料在80℃条件下烘干4h，即得到可用于吸附水中重金属离子的材料。所得重金属离子吸附材料中非晶TiPO吸附剂的含量占重金属离子吸附材料总质量的0.5％，的孔隙率为35％，孔径分布为1mm～3mm。

9)此例中制备的材料抗压强度为17MPa。该批次制备的样品，在3L Pb

实施例2

1)称取50克58号半精炼石蜡，置于加热的烧杯中在100℃的条件下熔化，然后加入3.0克FAPTO，搅拌30min；

2)将混合物冷却，使用分散盘破碎，将破碎得到的粉末过40和80目筛，取粒径范围在40-80目之间的部分；

3)将医废炉渣球磨破碎，过60目筛，称取筛分后的炉渣20克，然后称量40克水泥，将炉渣和水泥混合后加入10克水搅拌均匀；

4)取步骤2)中制备的有机颗粒10克，将有机颗粒和步骤3中得到的膏状无机混合物在搅拌器中搅拌10-30min；

5)将步骤4)中制备的混合物放于塑料模具中，震实后密封放置14天；

6)将步骤5)中制备的具有较高强度的块体材料放在正庚烷中浸泡，正庚烷的质量为100克，浸泡时间4h；

7)取出步骤6)中经过正庚烷刻蚀的材料，用纯的正庚烷溶剂洗涤3次；

8)将步骤7)中经过洗涤的材料在80℃条件下烘干4h，即得到可用于吸附水中重金属离子的材料。所得重金属离子吸附材料中非晶TiPO吸附剂的含量占重金属离子吸附材料总质量的1％，的孔隙率为45％，孔径分布为1mm～5mm；

9)此例中制备的材料抗压强度为18MPa。

实施例3

1)称取50克微晶石蜡，置于加热的烧杯中在100℃的条件下熔化，然后加入3.0克FAPTO，搅拌30min；

2)将混合物冷却，使用分散盘破碎，将破碎得到的粉末过60和80目筛，取粒径范围在60-80目之间的部分；

3)将医废炉渣球磨破碎，过60目筛，称取筛分后的炉渣40克，然后称量20克水泥，将炉渣和水泥混合后加入10克水搅拌均匀；

4)取步骤2)中制备的有机颗粒5克，将有机颗粒和步骤3中得到的膏状无机混合物在搅拌器中搅拌10-30min；

5)将步骤4)中制备的混合物放于塑料模具中，震实后密封放置28天；

6)将步骤5)中制备的具有较高强度的块体材料放在正庚烷中浸泡，正庚烷的质量为100克，浸泡时间8h；

7)取出步骤6)中经过正庚烷刻蚀的材料，用纯的正庚烷溶剂洗涤3次；

8)将步骤7)中经过洗涤的材料在80℃条件下烘干4h，即得到可用于吸附水中重金属离子的材料。所得重金属离子吸附材料中非晶TiPO吸附剂的含量占重金属离子吸附材料总质量的0.5％，的孔隙率为40％，孔径分布为0.5mm～3mm；

9)此例中制备的材料抗压强度为16MPa。

实施例4

1)将医废炉渣球磨破碎，过60目筛，称取筛分后的炉渣40克，然后称量20克水泥，将炉渣和水泥混合后加入10克水搅拌均匀；

2)取FAPTO 0.6克，将其和步骤3中得到的膏状无机混合物在搅拌器中搅拌10-30min；

3)将步骤4)中制备的混合物放于塑料模具中，震实后密封放置28天，所得重金属离子吸附材料中非晶TiPO吸附剂的含量占重金属离子吸附材料总质量的1％，的孔隙率为15％，孔径分布为0.5mm～1mm；

4)该批次制备的样品，在3L Pb

实施例5

1)称取60克58#半精炼石蜡，置于加热的烧杯中在90℃的条件下熔化，然后加入3.0克FAPTO，搅拌30min；

2)将混合物冷却，使用分散盘破碎，将破碎得到的粉末过60和80目筛，取粒径范围在60-80目之间的部分；

3)将医废炉渣球磨破碎，过60目筛，称取筛分后的炉渣30克，然后称量30克水泥，将炉渣和水泥混合后加入10克水搅拌均匀；

4)取步骤2)中制备的有机颗粒6克，将有机颗粒和步骤3中得到的膏状无机混合物在搅拌器中搅拌10-30min；

5)将步骤4)中制备的混合物放于塑料模具中，震实后密封放置28天；

6)将步骤5)中制备的具有较高强度的块体材料放在航空煤油中浸泡，航空煤油的质量为150克，浸泡时间8h；

7)取出步骤6)中经过正庚烷刻蚀的材料，用航空煤油洗涤3次；

8)将步骤7)中经过洗涤的材料在80℃条件下烘干4h，即得到可用于吸附水中重金属离子的材料。所得重金属离子吸附材料中非晶TiPO吸附剂的含量占重金属离子吸附材料总质量的0.5％，的孔隙率为48％，孔径分布为0.5mm～5mm；

9)该批次制备的样品，在3L Pb

实施例6

1)称取40克58#半精炼石蜡，置于加热的烧杯中在90℃的条件下熔化，然后加入3.0克FAPTO，搅拌30min；

2)将混合物冷却，使用分散盘破碎，将破碎得到的粉末过60和80目筛，取粒径范围在60-80目之间的部分；

3)将医废炉渣球磨破碎，过60目筛，称取筛分后的炉渣30克，然后称量30克水泥，将炉渣和水泥混合后加入10克水搅拌均匀；

4)取步骤2)中制备的有机颗粒5克，将有机颗粒和步骤3中得到的膏状无机混合物在搅拌器中搅拌10-30min；

5)将步骤4)中制备的混合物放于塑料模具中，震实后密封放置28天；

6)将步骤5)中制备的具有较高强度的块体材料放在航空煤油中浸泡，航空煤油的质量为150克，浸泡时间8h；

7)取出步骤6)中经过正庚烷刻蚀的材料，用航空煤油洗涤3次；

8)将步骤7)中经过洗涤的材料在80℃条件下烘干4h，即得到可用于吸附水中重金属离子的材料。所得重金属离子吸附材料中非晶TiPO吸附剂的含量占重金属离子吸附材料总质量的0.6％，的孔隙率为40％，孔径分布为0.5mm～5mm；

9)该批次制备的样品，在3L Pb

实施例7

1)称取30克58#半精炼石蜡，置于加热的烧杯中在90℃的条件下熔化，然后加入3.0克FAPTO，搅拌30min；

2)将混合物冷却，使用分散盘破碎，将破碎得到的粉末过60和80目筛，取粒径范围在60-80目之间的部分；

3)将医废炉渣球磨破碎，过60目筛，称取筛分后的炉渣30克，然后称量30克水泥，将炉渣和水泥混合后加入10克水搅拌均匀；

4)取步骤2)中制备的有机颗粒6克，将有机颗粒和步骤3中得到的膏状无机混合物在搅拌器中搅拌10-30min；

5)将步骤4)中制备的混合物放于塑料模具中，震实后密封放置28天；

6)将步骤5)中制备的具有较高强度的块体材料放在航空煤油中浸泡，航空煤油的质量为150克，浸泡时间8h；

7)取出步骤6)中经过正庚烷刻蚀的材料，用航空煤油洗涤3次；

8)将步骤7)中经过洗涤的材料在80℃条件下烘干4h，即得到可用于吸附水中重金属离子的材料。所得重金属离子吸附材料中非晶TiPO吸附剂的含量占重金属离子吸附材料总质量的1％，的孔隙率为30％，孔径分布为0.5mm～3mm；

9)该批次制备的样品，在3L Pb